專(zhuān)利名稱(chēng)：具有空腔諧振截止元件的電子電路封裝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子電路封裝的領(lǐng)域，并且特別是涉及被設(shè)計(jì)成在無(wú)線電頻率、微波頻率、毫米波頻率、以及直至太赫茲波段工作的電路的封裝。為了說(shuō)明，這些頻率統(tǒng)稱(chēng)為高頻。
由于其特性，在高頻工作的電路常會(huì)輻射電磁(EM)能量。這種輻射常常是不希望發(fā)生的，并且如果該輻射耦合到附近部件或者電路板跡線等中，則可能會(huì)引起問(wèn)題，以及導(dǎo)致不可預(yù)知的或不希望發(fā)生的電路特性。為此，電路中的特別敏感的部分或者特別容易發(fā)出輻射的那些部件經(jīng)常被封裝在金屬或者其它導(dǎo)電封裝中。這可以減少被安裝在獨(dú)立封裝中的電路之間的耦合，從而緩解這個(gè)問(wèn)題。但是，這有時(shí)也會(huì)增加單個(gè)金屬封裝內(nèi)的EM耦合，導(dǎo)致被安裝在封裝內(nèi)的特定子電路與自身反饋耦合或者與同一封裝內(nèi)的其它子電路反饋耦合。
工作頻率越高，這個(gè)問(wèn)題會(huì)變得越糟糕，因?yàn)镋M輻射波長(zhǎng)相應(yīng)地變短，因而該EM輻射波長(zhǎng)會(huì)更接近封裝本身在其處發(fā)生諧振的長(zhǎng)度。諧振會(huì)引起場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)烈增強(qiáng)，并且這會(huì)使封裝內(nèi)的部件之間、或者電路板跡線之間、甚至同一部件的不同元件之間的耦合增加，這些都會(huì)導(dǎo)致不希望發(fā)生的電路特性，甚至如果涉及有源電路，則會(huì)發(fā)生振蕩。
一種已知的解決方案是在封裝的頂部和/或側(cè)面涂上輻射吸收材料(RAM)，或者把多塊RAM置于空腔中。RAM是具有傾向于不反射所入射的EM輻射或者允許所有輻射透過(guò)其的特性的材料。相反，RAM被設(shè)計(jì)成吸收輻射，然后高效地以熱的方式耗散能量。這些材料中的一些類(lèi)型的材料相當(dāng)厚的，為了成為有效的材料，這些材料需要將輻射波的阻抗與RAM內(nèi)的耗散材料的電阻匹配。由于被要求來(lái)容納RAM的封裝的大小，而且材料也要制作成具有必要的材料參數(shù)，所以這些材料在高頻封裝、特別是毫米波頻率封裝中使用不靈便。
其它類(lèi)型的RAM要薄得多。Emerson & Cuming Microwave Components制造出能夠用作RAM的各種薄片型材料。其中一些依賴于波長(zhǎng)相關(guān)效應(yīng)，因此是本來(lái)窄的帶。其他類(lèi)型材料具有在整個(gè)材料厚度上漸變的電阻率，以減少來(lái)自表面的反射。這些材料能夠工作于更寬的帶寬，但是也趨向于更厚。當(dāng)此材料被用在其中安裝有電子部件的空腔中時(shí)，隨著電子電路工作頻率的提高，這些材料的吸收效率趨向于減少。
美國(guó)專(zhuān)利6,054,766公開(kāi)了被設(shè)計(jì)來(lái)解決上述一些問(wèn)題的電路封裝。所公開(kāi)的封裝全部或部分用硅薄片制成，所述薄片具有在1Ω-1m-1與10Ω-1m-1之間的所述電導(dǎo)率σ。傳統(tǒng)上，高頻電路封裝常使用固態(tài)的鋁片制成，同時(shí)研磨出空腔來(lái)容納電路本身。US6,054,766的公開(kāi)就要求舍棄傳統(tǒng)的封裝，或者最好要求改進(jìn)該封裝，以便能夠如在此所描述的那樣使用硅薄片。
工作在幾十千兆赫的單片微波集成電路(MMIC)已經(jīng)利用倒裝技術(shù)來(lái)封裝，由此MMIC被倒裝鍵合到有損硅基板以抑制封裝內(nèi)的寄生模。這在“A Flip-ChipPackaged Coplanar 94 GHz Amplifier Module With Efficient Suppression of ParasiticSubstrate Effects”(Tessmann等人，IEE Microwave and Wireless Components Letters，Vol14，No4，2004年4月)中被描述。由于倒裝技術(shù)涉及將器件倒置地安置在基板上，一旦如此鍵合就很難接近器件，以進(jìn)行后續(xù)的分析、操縱或改進(jìn)，因此此項(xiàng)技術(shù)并不適合于所有的情況。另外，當(dāng)器件被翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)時(shí)，也存在與維持所設(shè)計(jì)的電性能(諸如頻率特性)相關(guān)的問(wèn)題。
英國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)No.0128208.6描述了一種用于電磁干擾的屏蔽裝置，其中空腔采用被安裝在蓋子上的分隔墻，所述分隔墻有效地把空腔分成較小的部分。此分隔墻被如此安置和定形，使得空腔內(nèi)的獨(dú)立的部件有效地彼此隔離。如果靈敏部件非常靠近輻射部件安裝，則這種方法失去其效能。
本發(fā)明的目的是至少減輕現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種高頻電路的封裝，該封裝包括在一種材料內(nèi)形成的、用于容納電路的空腔，其特征在于該封裝還包括具有至少一個(gè)延伸到空腔中的表面的材料，并且此表面或每個(gè)表面上具有導(dǎo)電材料，該導(dǎo)電材料的電導(dǎo)率適于至少部分地吸收電磁輻射。
除了任何電路之外，該空腔可包含至少部分包含氣體(諸如空氣)或者介電材料或真空的容積。該導(dǎo)電表面可以是介電材料的表面。
該導(dǎo)電表面可以是細(xì)長(zhǎng)的、薄材料的表面，因此該材料的形狀類(lèi)似葉片。該材料可包括其上涂敷導(dǎo)電表面的電介質(zhì)。這可以給導(dǎo)電表面提供機(jī)械支承?？商鎿Q地，該導(dǎo)電表面可以是較大的塊材料(諸如介電材料或者導(dǎo)電材料)的表面。在這種情況下，這種表面可以是塊材料的外表面，或者也可以是內(nèi)表面，以使導(dǎo)電表面本身被固體介電材料完全包圍。
已發(fā)現(xiàn)，延伸到空腔中的導(dǎo)電表面材料趨向于減弱存在于該空腔中的電場(chǎng)，因?yàn)殡妶?chǎng)會(huì)在導(dǎo)電材料中感生電流，并且至少部分地耗散為熱。優(yōu)選地，導(dǎo)電材料被設(shè)置成具有被設(shè)置來(lái)將封裝中存在的電場(chǎng)耦合到該導(dǎo)電材料的電阻率。導(dǎo)電材料的電阻率可有利地被設(shè)置成與電場(chǎng)的阻抗基本上匹配，如果不存在導(dǎo)電材料，則否則期望在封裝中存在該電場(chǎng)。這增強(qiáng)了導(dǎo)電材料對(duì)電場(chǎng)的吸收效率。
除了吸收導(dǎo)電表面中的功率以外，本發(fā)明的另一效果是低階模截止效應(yīng)，由此導(dǎo)電表面至少部分地使其中安裝有該導(dǎo)電表面的空腔的尺寸看上去更小。由于空腔中的場(chǎng)傳播特性，這是有益的?？涨粌?nèi)的場(chǎng)傳播圖案被稱(chēng)為模(mode)。腔中存在的模依賴于相對(duì)于空腔內(nèi)的輻射傳播波長(zhǎng)的空腔尺寸，而空腔大小決定了模中能維持的波長(zhǎng)的上限。因此，只要考慮到空腔內(nèi)的輻射，根據(jù)本發(fā)明被涂敷到封裝的導(dǎo)電表面就能使該封裝內(nèi)的空腔顯得比其實(shí)際上要小，從而防止了模在腔內(nèi)的傳播。如果由于空腔尺寸和工作波長(zhǎng)而使該模是唯一否則可能存在的模，則腔內(nèi)的總輻射能量將顯著減少。如果在實(shí)施本發(fā)明時(shí)使用如此處所述的介電材料，那么封裝將呈現(xiàn)比物理尺寸大的電學(xué)尺寸。這是因?yàn)樵诮殡姵?shù)更大的電介質(zhì)內(nèi)的電磁場(chǎng)的波長(zhǎng)會(huì)縮短。當(dāng)考慮被用來(lái)支承導(dǎo)電表面的任何介電材料的設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先考慮這些效果。
導(dǎo)電表面可以是平面的，或者可以采用任何其他合適的形狀。特別地，導(dǎo)電表面的形狀可以是以某些方式能與該導(dǎo)電表面侵入其中的空腔的形狀匹配的形狀。導(dǎo)電表面可有利地采用圓柱形，諸如形成于介電材料中的洞的表面，該導(dǎo)電表面是被涂敷到孔壁的涂層。其他適合用于導(dǎo)電表面的形狀諸如有曲面、或具有不同方向的多個(gè)平面表面，其可被調(diào)整成以某些方式與空腔內(nèi)的電路布置匹配。
在單個(gè)電封裝內(nèi)可設(shè)置多個(gè)導(dǎo)電表面。當(dāng)封裝內(nèi)的空腔相對(duì)于工作波長(zhǎng)大時(shí)，這特別有利。這種空腔將趨向于具有更復(fù)雜的模，使用多個(gè)適當(dāng)間隔開(kāi)的導(dǎo)電表面可以更容易抑制這些模。如果需要，導(dǎo)電表面的相對(duì)大小和間隔可被設(shè)置來(lái)使得空腔中存在的某些模被抑制同時(shí)允許其它模。該導(dǎo)電表面或每個(gè)導(dǎo)電表面優(yōu)選地被設(shè)置位于空腔中已知或預(yù)期形成相對(duì)高的電場(chǎng)強(qiáng)度的位置處。這樣的安置導(dǎo)致增加對(duì)任何所傳播的電場(chǎng)的吸收效率。
包含導(dǎo)電表面的材料可以直接與封裝的內(nèi)表面連接起來(lái)，或者可替換地通過(guò)導(dǎo)電表面被形成于其上的支承材料(諸如介電材料)借助于吸附來(lái)間接連接。導(dǎo)電表面的平面可被設(shè)置成基本上與該導(dǎo)電表面被安裝于其上的封裝表面垂直。
形成導(dǎo)電表面的材料可以如上所述地被安裝在電介質(zhì)上，或者，可替換地將該材料做成適當(dāng)?shù)暮穸?，使得其具有足夠的?qiáng)度以附著到封裝的內(nèi)表面而不再需要另外的機(jī)械支承。
如果導(dǎo)電表面及其支承物采用葉片的形狀，那么該葉片一般將包括由一種或多種材料組成的薄片，該薄片通過(guò)沿著薄片的邊緣連接到封裝的內(nèi)表面而附著到封裝或以其它方式形成封裝的部分。該葉片可以由任何適合的材料形成。特別的是，該葉片可以是由本身導(dǎo)電的材料制成，但優(yōu)選地由主表面上形成有導(dǎo)電層的介電基板制成。這樣的導(dǎo)電層可被涂敷到基板的部分或者全部。該基板優(yōu)選地用低介電材料制成。氧化鋁、石英、塑料、紙板和玻璃等是適合的。導(dǎo)電材料可以是鎳鉻合金、或者基于碳的材料(諸如碳膜)或任何其他合適的材料。
導(dǎo)電表面優(yōu)選地被安置或被安裝在封裝的容易移動(dòng)的部分上，諸如被安置或被安裝在空腔的蓋子上。這允許通過(guò)將蓋子或其它可拆卸部分裝配或以其它方式定置在封裝上，方便地將導(dǎo)電表面插入到空腔容積中。這使得能夠?yàn)榉庋b內(nèi)的不同電場(chǎng)分布方便地改進(jìn)或替換，以便實(shí)現(xiàn)最佳結(jié)果?？商鎿Q地，導(dǎo)電表面也可以被安置或被安裝在諸如側(cè)壁的空腔的固定表面上。
導(dǎo)電表面可如此形成，以致成為封裝的組成部分，并且因此部分包括由形成封裝的同一種材料，或可以作為獨(dú)立的工藝直接或間接地被安裝或者被附著到封裝。導(dǎo)電表面可如此被安裝，使得該導(dǎo)電表面與該導(dǎo)電表面被安裝到其的表面電連接。也可以利用其他合適的方式來(lái)把導(dǎo)電表面安裝到封裝上，諸如用環(huán)氧樹(shù)脂，環(huán)氧樹(shù)脂可以是但不必是導(dǎo)電的，或在葉片的情況下，盡管可以采用任何其他合適的方式，也通過(guò)使用摩擦力(friction)裝配到封裝中的溝槽中，。
可以依據(jù)所計(jì)算的或所估計(jì)的特定封裝的阻抗值和電學(xué)特性以及預(yù)期工作頻率，來(lái)選擇導(dǎo)電材料的電阻特性。這樣的計(jì)算和估計(jì)可以用分析或數(shù)值計(jì)算方法來(lái)完成，并且優(yōu)選地使用計(jì)算機(jī)模擬工具來(lái)執(zhí)行，但可替換地采用反復(fù)試驗(yàn)方法來(lái)執(zhí)行。已發(fā)現(xiàn)，不需要電導(dǎo)率與空腔內(nèi)的輻射阻抗精確匹配就能夠得到良好的結(jié)果，并且即使兩者之間有些失配，也可以獲得電路性能的顯著改善。因此，本發(fā)明很好地適用于反復(fù)試驗(yàn)方法來(lái)制作封裝。
封裝可以用任意合適的材料(諸如打磨的金屬材料)來(lái)制作。也可以用不導(dǎo)電的材料來(lái)制作，其中封裝的內(nèi)表面優(yōu)選地包括導(dǎo)電層。還可以通過(guò)在介電材料內(nèi)部制作空腔來(lái)形成封裝，其中通過(guò)多個(gè)導(dǎo)電通孔來(lái)設(shè)置導(dǎo)電墻。如果在給定工作波長(zhǎng)下適當(dāng)?shù)乜拷亻g隔這些通孔，那么在這些波長(zhǎng)下，這些通孔將用作連續(xù)導(dǎo)電表面。被涂敷到封裝內(nèi)表面的這種導(dǎo)電層可能與根據(jù)本發(fā)明的導(dǎo)電表面具有不同的導(dǎo)電特性。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供有一種葉片，用于抑制空腔諧振模輻射并適合于安裝在高頻電路的封裝內(nèi)，該葉片至少部分包括導(dǎo)電材料層，該導(dǎo)電材料的電導(dǎo)率適于至少部分地吸收電磁輻射。
如上所述，該葉片包括其上安裝有導(dǎo)電層的基板。
該葉片優(yōu)選地通過(guò)其邊緣被安裝到封裝的內(nèi)表面。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了被安裝在封裝中的空腔內(nèi)的高頻電路，其中該空腔具有其上安置有具有延伸到該空腔中的導(dǎo)電表面的材料的內(nèi)表面，該導(dǎo)電表面的電導(dǎo)率適于至少部分地吸收電磁輻射。這種導(dǎo)電表面如關(guān)于前面的本發(fā)明的其他部分所描述的那樣。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供了一種制造高頻電路的封裝的方法，該方法包括在封裝的內(nèi)表面上安置導(dǎo)電表面，該導(dǎo)電表面延伸到該封裝中，且該導(dǎo)電表面的電導(dǎo)率適于至少部分地吸收電磁輻射。
現(xiàn)在將參考下列附圖僅通過(guò)范例的方式更詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中

圖1用圖解法示出以已知方式被封裝在空腔中的放大器；圖2用圖解法示出空腔內(nèi)的電磁輻射的模的形成；圖3用圖解法示出了本發(fā)明的第一實(shí)施例，其中葉片形狀的單個(gè)導(dǎo)電表面被安裝在電路封裝蓋子上圖4用圖解法示出了依據(jù)本發(fā)明的裝配有蓋子的電路封裝的截面圖；圖5用圖解法示出了如被用于計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)的帶有單個(gè)葉片的電路封裝的表示；圖6示出被安裝在封裝中的單個(gè)葉片的所模擬的功率吸收特性的曲線圖；圖7用圖解法示出了如被用于計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)的帶有兩個(gè)葉片的電路封裝的表示；圖8示出結(jié)合了兩個(gè)葉片的封裝的所模擬的功率吸收特性的曲線圖；圖9示出比較單個(gè)葉片的所測(cè)量的和所模擬的功率吸收與頻率關(guān)系的曲線圖10示出比較單個(gè)葉片的所測(cè)量的和所模擬的正向傳輸(forwardtransmission)(S21)與頻率關(guān)系的曲線圖；圖11示出比較單個(gè)葉片的所測(cè)量的和所模擬的輸入反射(S11)與頻率關(guān)系的曲線圖；圖12用圖解法示出了結(jié)合了電路的模擬封裝，以及該封裝的端口處的傳輸和反射曲線，該封裝沒(méi)有衰減裝置；圖13用圖解法示出了與圖11中所示的封裝及傳輸和反射曲線相同的封裝及傳輸和反射曲線，但是這次結(jié)合了根據(jù)本發(fā)明的衰減葉片；圖14用圖解法示出了本發(fā)明的替換實(shí)施例，其中在切入介質(zhì)片的表面上實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電表面；以及圖15示出了圖14的實(shí)施例的兩個(gè)端口之間的傳輸?shù)哪M結(jié)果圖，同時(shí)示出了介質(zhì)片內(nèi)沒(méi)有結(jié)合導(dǎo)電表面的相似空腔的結(jié)果的曲線圖。
圖1示出被用于容納高頻電子電路的典型封裝的剖面?zhèn)纫晥D。通常，這些封裝是用鋁塊制成的，具有容納電路的、被磨入該塊中的空腔。鋁塊1包含其中安裝有基板3的空腔2，該基板本身在其上安裝有一起形成電路的高頻電氣部件4。塊1中的孔5a、5b被設(shè)置用于信號(hào)的輸入和輸出，并且用于其它目的(如果必要)、諸如電源連接。為了清晰起見(jiàn)，用鋁薄片制成的蓋子6被示為從塊1處分開(kāi)，當(dāng)然，當(dāng)電路3、4工作時(shí)其將被固定到塊1上。
在工作時(shí)，因電路的特性，電磁輻射7將從3和4本身輻射到空腔2中。該輻射能耦合到空腔諧振模中，并且從那時(shí)起耦合到另一部分的電路的其它部分，從而導(dǎo)致不期望發(fā)生的電路特性。已知的抑制這種輻射7的方法是在蓋子6的下面的部分或全部附著輻射吸收材料(RAM)8。RAM 8衰減從蓋子6反射輻射7的水平，從而減弱能夠反饋耦合到電路3、4中的能量。但是，工作頻率越大，這種方法的效率就越低。衰減變得不理想，并且RAM中的損耗趨向于隨著頻率減弱，而且所呈現(xiàn)的阻抗也可能不提供最佳衰減條件。
圖2示出了圖1中所示類(lèi)型的封裝內(nèi)的模的形成。在尺寸為6.6mm×4.52mm×1.0mm的空腔200中，示出在簡(jiǎn)單的無(wú)源微波電路的三個(gè)定點(diǎn)頻率下的模形成的計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果。所模擬的電路包含兩個(gè)端口201、202，每個(gè)端口均與引向空腔中心的傳輸線(未示出)相關(guān)，每條傳輸線在開(kāi)路中終止，但是每條傳輸線都有常規(guī)的匹配短線(未示出)。
圖2a示出在38.1GHz的空腔第一諧振頻率下的模形成。線204表示等電場(chǎng)強(qiáng)度線，圈越小表示場(chǎng)強(qiáng)越大。這些線示出在空腔200的中心形成單個(gè)峰的電場(chǎng)。
圖2b示出在頻率為53.9GHz的空腔第二諧振時(shí)的模形成?？梢钥吹?，在空腔200內(nèi)有兩個(gè)電場(chǎng)峰(關(guān)于空腔中心對(duì)稱(chēng)形成)，零場(chǎng)區(qū)205沿空腔200中心延伸。
當(dāng)頻率增加時(shí)，這種模形成繼續(xù)發(fā)展。圖2c示出在76.6GHz下的空腔的第五諧振。形成四個(gè)電場(chǎng)峰，其中零區(qū)205、206沿兩個(gè)方向穿過(guò)空腔的中心。
實(shí)際的系統(tǒng)的工作頻率可能并不恰好是如上所示的那些諧振頻率，由這種操作所產(chǎn)生的電場(chǎng)圖案通常要更復(fù)雜而且是動(dòng)態(tài)的。然而，圖2確實(shí)示出了趨于形成并且由此導(dǎo)致在此所描述的耦合問(wèn)題的場(chǎng)。
示出圖2的電場(chǎng)圖案來(lái)說(shuō)明待解決的問(wèn)題。
圖3示出了本發(fā)明的第一實(shí)施例。這里，示出了蓋子9，其上安裝有葉片10形狀的導(dǎo)電表面。葉片10在邊緣11處通過(guò)導(dǎo)電環(huán)氧樹(shù)脂被裝配在溝槽中。葉片10由氧化鋁制成，并且涂有鎳鉻合金導(dǎo)電膜。實(shí)際上，蓋子9將被安裝到鋁塊上(在該圖中沒(méi)有示出)，使得葉片10在空腔內(nèi)被形成在該塊內(nèi)。
圖4示出了被安裝到封裝上的蓋子(諸如圖3中所示的蓋子)。具有附著到其的葉片10的蓋子9被安置在塊1的頂部上，塊1與圖1中所示的塊相似。實(shí)際上，空腔2可能相對(duì)淺，使得葉片10的底部靠近電路4，該圖未按比例繪制。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)葉片底部與電路之間的間隙在50μm與100μm之間是適用的，盡管使用其它間隙尺寸也可獲得好的性能。葉片10或者其它這樣的導(dǎo)電表面通常將被安置在空腔2內(nèi)，以便最大化來(lái)自該空腔的能量吸收。通常如已在圖2中所示的那樣完成，通過(guò)在感興趣的頻率下模擬空腔的物理和電氣特性來(lái)找到這個(gè)位置。例如，如果模擬示出類(lèi)似于圖2a的電場(chǎng)的空腔中心中的單個(gè)主電場(chǎng)峰，那么把葉片置于空腔中心將是明智的。
利用軟件包HFSS已模擬了本發(fā)明的實(shí)施例以及這些實(shí)施例可被用于其的空腔(包括圖2中所示的空腔)。這是由Ansoft編寫(xiě)的模擬程序包，并且利用有限元技術(shù)計(jì)算和以圖形方式顯示基本電磁場(chǎng)量。這個(gè)特定的模擬程序包并未試圖考慮具有增益的元件，并且因此具有矩形截面且其內(nèi)沒(méi)有源的簡(jiǎn)單空腔被用作如本說(shuō)明書(shū)中所述的本發(fā)明的所有模擬的參考。圖5示出空腔12，其具有被涂敷到被安裝在空腔上表面中心處的葉片13的導(dǎo)電表面。虛線部分表示波導(dǎo)端口14、15，這些端口有利于對(duì)將能量耦合到空腔12中和從空腔12耦合出進(jìn)行模擬。這種模擬設(shè)置允許改變很多參數(shù)，并允許測(cè)量效果。所改變的參數(shù)是葉片基板材料和厚度、被涂敷到基板的導(dǎo)電膜的電導(dǎo)率和厚度(該電導(dǎo)率和厚度共同決定薄層電阻)、以及工作頻率。
在該模擬中所采用的葉片基板的介電常數(shù)采用如表1中所示的值
表1重要的量度是端口14、15之間所傳輸?shù)哪芰坑扇~片的導(dǎo)電表面所吸收的功率。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在模擬中使用不同的介電常數(shù)對(duì)葉片的功率吸收僅產(chǎn)生微小的影響。發(fā)現(xiàn)較高的電介質(zhì)略微增加吸收，這有可能是由于可能在葉片基板中產(chǎn)生的額外的場(chǎng)集中引起的。
也已發(fā)現(xiàn)，功率吸收隨輸入頻率的變化也不大。當(dāng)在70-90GHz的范圍上進(jìn)行模擬時(shí)，在所模擬的最佳涂層電導(dǎo)率下，功率吸收從約65％變化到約70％。這種隨頻率變化的主要原因是波導(dǎo)阻抗(并且因此電場(chǎng)與葉片的導(dǎo)電表面的匹配)是與頻率相關(guān)的。
已發(fā)現(xiàn)葉片上的導(dǎo)電膜的薄層電阻對(duì)葉片的功率吸收特性的影響強(qiáng)烈得多。空腔內(nèi)輻射的EM輻射將與傳播輻射的波長(zhǎng)相關(guān)地建立一種或多種取決于空腔尺寸的傳播模(如圖2中所示)；并還建立激發(fā)的幾何結(jié)構(gòu)。這些模中的一些或全部可以是漸消失模。空腔中特定點(diǎn)處的阻抗(通過(guò)電場(chǎng)與磁場(chǎng)之比給出)將根據(jù)該空腔中所建立的模發(fā)生變化。
當(dāng)葉片的電阻率與波阻抗匹配時(shí)，將發(fā)生葉片內(nèi)的最大功率吸收。對(duì)于特定的矩形空腔(沒(méi)有葉片存在)，已在80GHz的頻率下計(jì)算了一些低階橫電場(chǎng)模(TE)(被指定為T(mén)Enm)的波阻抗的大小，并在表2中給出了該波阻抗的大小。
表2因此導(dǎo)電表面應(yīng)當(dāng)理想地與空腔內(nèi)的適當(dāng)?shù)哪Ｆヅ洹Ｈ欢?，將?duì)象插入到空腔中可改變發(fā)生的空腔中所支承的模(可能是傳播的或者逐漸消失的模)。無(wú)論是以葉片還是更大的電介質(zhì)的表面的形狀使用導(dǎo)電表面，這也適用于本發(fā)明。當(dāng)估計(jì)要被用于涂敷葉片基板的薄膜的薄層電阻和厚度時(shí)，這是應(yīng)當(dāng)考慮的。
圖6是針對(duì)圖4的空腔示出了薄層電阻對(duì)所吸收的功率的影響的曲線圖。該曲線圖示出，在80GHz的信號(hào)頻率下，所吸收功率的百分?jǐn)?shù)與被涂敷到葉片基板的導(dǎo)電膜的薄層電阻之間的關(guān)系，εr＝10時(shí)，所述葉片基板的厚度為0.01”(0.254mm)。示出四條曲線，這些曲線代表膜厚度為3μm、1μm、0.5μm和0.1μm。在所有情況下，對(duì)應(yīng)于最大功率吸收的薄層電阻在約100歐姆/單位正方形(Ω/square)與200歐姆/單位正方形之間，接近匹配表2中的m＝2模。發(fā)現(xiàn)3μm的薄膜涂層的吸收最有效。
圖7示出了采用兩個(gè)葉片16、17的本發(fā)明的實(shí)施例，這兩個(gè)葉片被安裝在空腔18內(nèi)，以致這兩個(gè)葉片彼此之間的距離以及與空腔18的側(cè)壁19的距離都是相等的。由于空腔中有兩個(gè)對(duì)象，這將改變?cè)摽涨粌?nèi)的主模，并且如此也將改變組成這些模的EM輻射的阻抗。
在圖8中，兩個(gè)葉片16、17所吸收的功率與薄層電阻的曲線因此示出了相比于圖6的單個(gè)葉片情況的在其處吸收最大功率時(shí)的薄層電阻中的差別和最大吸收值本身。約為50歐姆/單位正方形-90歐姆/單位正方形的薄層電阻已被發(fā)現(xiàn)吸收最大，與表2中的m＝3的模一致。
如上所示，在諸如延伸到空腔中的葉片的導(dǎo)電表面上所使用的薄膜涂層的薄層電阻將影響空腔中的葉片的功率吸收。該薄膜涂層可適于增強(qiáng)表面的低階模截止效果，而且同時(shí)維持與空腔模的阻抗匹配。
本發(fā)明的效果可被認(rèn)為是由于上面所討論的阻抗匹配技術(shù)和低階模截止效應(yīng)。材料的趨膚深度是反比于電導(dǎo)率和工作頻率的平方根的。薄層電阻是反比于電導(dǎo)率的。因此，通過(guò)選擇低電導(dǎo)率薄膜，可以使葉片具有對(duì)于工作頻率下的吸收是理想的有效薄層電阻。同時(shí)，如果此薄膜相對(duì)于趨膚深度足夠厚，則將使得葉片起到金屬墻的作用，該金屬墻升高傳播的最低頻率。如果把具有這些特性的葉片置于波導(dǎo)中心，那么該葉片將迫使傳播波在其通過(guò)葉片時(shí)變成TE20模。如果工作頻率太低不足以支持TE20模，那么該傳播波將不會(huì)傳播。因此，葉片將既用作高頻時(shí)的衰減器又用作高通濾波器。
因此，使用具有由較低電導(dǎo)率的材料制成的較厚導(dǎo)電薄膜的葉片趨向于具有金屬墻的特性，因此改善低階模截止，同時(shí)維持仍舊產(chǎn)生的任何模式的阻抗匹配。
已發(fā)現(xiàn)，葉片塞進(jìn)封裝空腔中越深，葉片對(duì)輻射的衰減越好。已經(jīng)制成了實(shí)際的電路，其中導(dǎo)電表面基本上從空腔的頂部延伸到距空腔內(nèi)的電氣裝置的表面約50μm。在本發(fā)明中的所有模擬結(jié)果都用類(lèi)似的間隙。
上面所述的計(jì)算都用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上的模擬來(lái)產(chǎn)生。對(duì)為2.4mm×1.3mm的矩形截面的空腔也已獲得了定量測(cè)量的結(jié)果，而且將這些結(jié)果與同樣的空腔的計(jì)算機(jī)模擬進(jìn)行了比較。為了易于測(cè)量，這個(gè)空腔的每端都有一端口，允許準(zhǔn)確測(cè)量。葉片包括厚度為0.254mm(0.01”)的氧化鋁薄片，在該薄片上涂有90nm厚的鎳鉻合金膜，該葉片被置于空腔中，并在70GHz到110GHz的頻率范圍上進(jìn)行表示空腔的吸收和反射特性的測(cè)量。
圖9示出了由葉片所吸收的功率的結(jié)果和空腔的計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果。該結(jié)果相互相當(dāng)好地追蹤，特別是向著曲線圖的較高頻端相當(dāng)好地追蹤。
圖10示出所模擬的和所測(cè)量的空腔的參數(shù)S21(或正向傳輸系數(shù)(forwardtransmission coefficient))的曲線圖。所模擬的與所測(cè)量的結(jié)果再次較好吻合，特別是當(dāng)考慮到參數(shù)用對(duì)數(shù)(dB)標(biāo)度描繪時(shí)。
圖11示出所模擬的和所測(cè)量的空腔的參數(shù)S11(或輸入反射系數(shù))的曲線。所模擬的與所測(cè)量的結(jié)果相當(dāng)相似，需要提醒的是參數(shù)是用對(duì)數(shù)(dB)標(biāo)度描繪的。
所測(cè)量的與所模擬的結(jié)果之間的匹配說(shuō)明對(duì)圖2到7的閉合空腔進(jìn)行了有效的模擬。
圖12和13定量地示出了在引入在高頻工作的電氣部件的封裝上使用如在此所述的本發(fā)明而帶來(lái)的改善。圖12a示出包括兩個(gè)端口101、102的封裝100的模型。每個(gè)端口101、102具有包括與電阻104、104’端接的微波帶狀線路103、103’和偏壓T型匹配短線105、105’的電路。在與每個(gè)端口101、102相關(guān)的電路之間存在間隙，以使在這些電路之間沒(méi)有DC連接。該封裝的尺寸是4mm×3mm。
圖12b示出了圖12a的空腔的模擬電氣特性。標(biāo)識(shí)有方形標(biāo)記的跡線代表兩個(gè)端口101、102之間的傳輸(S21)系數(shù)?？梢钥吹剑@個(gè)峰值在大約60GHz附近，其中端口之間只有5dB的損耗。這種傳輸主要是由于在被連接到每個(gè)端口101、102的電路之間的空腔諧振模耦合引起的。另外兩條標(biāo)有圓圈和垂直線的跡線分別代表S11和S22，并且這些跡線在同一頻率都存在諧振。
因此，這表明了由于電路的空腔諧振模耦合而存在的問(wèn)題。如果沒(méi)有空腔效應(yīng)，則兩端口之間的能量傳輸將非常少。
圖13a示出了與圖12a中所示的空腔和電路相同的空腔和電路，但是這次在空腔100的上表面上利用根據(jù)本發(fā)明的兩個(gè)葉片106、107。將所述葉片模擬成表面均有70歐姆/平方正方形的導(dǎo)電涂層的100μm厚的石英基板。
圖13b示出了圖13a的空腔的模擬結(jié)果。同樣，標(biāo)識(shí)有方形標(biāo)記的跡線代表兩個(gè)端口101、102之間的傳輸(S21)系數(shù)?？梢钥闯觯ㄟ^(guò)在空腔100中結(jié)合葉片106、107，端口101、102之間的傳輸幾乎降到-50dB。反射參數(shù)S11和S22的諧振也被消除。
以上通過(guò)舉例的方式所描述的所有本發(fā)明的實(shí)施例都是被涂敷到薄的介電葉片的導(dǎo)電表面的實(shí)施例。圖14示出了實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電表面的替換實(shí)施例的計(jì)算機(jī)表示。尺寸為4.52mm×6.6mm×1mm的空腔300以與上述相似的方式在基板302上結(jié)合了基板301上的電子電路。在這種情況下，電路301是來(lái)自第一端口和第二端口的簡(jiǎn)單的50Ω的微波帶狀線路，每條微波帶狀線均與在空腔300的中心附近的開(kāi)路短線端接。注意，模擬軟件將空腔300的所有主要外部表面303、304都當(dāng)成是完全反射金屬導(dǎo)體。上表面304表示的是空腔300的蓋子的內(nèi)表面。大小為4.52mm×6.6mm×0.8mm的介電材料板305被安裝在空腔的蓋子上，使得其基本填充空腔300的上部，其下表面與被安裝在空腔底部的基板302的上表面之間留有50μm的氣隙。
在介電材料305中安置有五個(gè)邊長(zhǎng)均為0.8mm的方形孔307。孔307的內(nèi)表面308都被制作成導(dǎo)電的，以便以與上述葉片實(shí)施例類(lèi)似的方式具有與預(yù)期的電磁場(chǎng)相匹配的電阻率。EM場(chǎng)將大部分位于介電材料內(nèi)，但是會(huì)與電介質(zhì)中的孔的側(cè)面上的導(dǎo)電表面308接觸。如果適當(dāng)選擇所述表面的電導(dǎo)率和位置，如對(duì)于上述葉片實(shí)施例所描述的那樣，則空腔內(nèi)存在的場(chǎng)的幅度將大大減弱。
圖15示出了對(duì)于圖14所討論的實(shí)施例的效果。圖15a示出跨越空腔的感興趣頻帶的從第一端口到第二端口的傳輸曲線圖(較低的跡線)，其中該空腔裝有不帶孔的介電板。因此，如此處所公開(kāi)的導(dǎo)電表面不存在于該空腔中?？煽吹?，在45GHz和56.5GHz處有顯著的諧振峰，如果在該空腔中使用諸如放大器的有源器件，則這將引起問(wèn)題。在75GHz附近及以上頻率出現(xiàn)的峰被認(rèn)為是模擬軟件引起的假像，而不是電路特性的準(zhǔn)確表示，并且可以被忽略。
圖15b示出跨越相同頻率間隔的從類(lèi)似空腔的第一端口到第二端口的傳輸?shù)那€圖(較低的跡線)，但是這次結(jié)合了具有如圖14中所示的導(dǎo)電孔的介電板?？梢钥吹剑?5GHz和56.5GHz處的諧振峰已完全消失了，在這些頻率處的傳輸功率相比于前面的曲線圖降低了超過(guò)20dB。
在圖14和15b中所描述的實(shí)施例的模擬使用介電材料中的方形孔，因?yàn)檫@大大改善了模擬時(shí)間。而實(shí)際系統(tǒng)中采用圓孔是方便的，因?yàn)檫@些孔可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)鉆孔技術(shù)產(chǎn)生。實(shí)際上，這兩種孔形狀在性能上幾乎沒(méi)有差別。當(dāng)然也可以使用其他的形狀。例如，可以在電介質(zhì)和涂敷有導(dǎo)電材料的表面中切入溝槽，以產(chǎn)生類(lèi)似于在上述葉片實(shí)施例中所使用的導(dǎo)電表面。在介電材料中所形成的孔、溝槽或其它開(kāi)孔可通過(guò)向開(kāi)口中填充墨水而方便地涂敷，所述墨水適于具有期望的電導(dǎo)率特性。導(dǎo)電材料內(nèi)所感生的電流趨向于僅在表面上或者非常接近表面流動(dòng)，并且因此導(dǎo)電材料的任何額外深度對(duì)出現(xiàn)在表面效應(yīng)上或上方的場(chǎng)的影響將非常小。
所要注意的是，在本說(shuō)明書(shū)中，術(shù)語(yǔ)“電氣”和“電子”及其衍生詞都是同義詞。此外，注意，如在此處所描述的應(yīng)用于延伸到空腔中的表面的術(shù)語(yǔ)“導(dǎo)電”包括電阻性材料，因此該術(shù)語(yǔ)并不局限于具有極高電導(dǎo)率的材料(諸如純金屬)。在這個(gè)意義上，高達(dá)10千歐姆/平方正方形的電阻率、諸如高達(dá)1千歐姆/平方正方形、諸如高達(dá)200歐姆/平方正方形、諸如高達(dá)100歐姆/平方正方形、諸如高達(dá)50歐姆/平方正方形、諸如高達(dá)10歐姆/平方正方形的電阻率都應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為落入術(shù)語(yǔ)“導(dǎo)電”所描述的范圍。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員人應(yīng)該可以意識(shí)到在本發(fā)明的范圍內(nèi)還有其它的實(shí)施方式，因此本發(fā)明并不僅限于如在此所描述的實(shí)施方式。
權(quán)利要求
1.一種用于高頻電路的封裝，該封裝包括被形成在材料內(nèi)、用于容納電路的空腔，其特征在于該封裝還包括具有至少一個(gè)延伸到該空腔中的表面的材料，該表面或每個(gè)表面上具有導(dǎo)電材料，該導(dǎo)電材料的電導(dǎo)率適于至少部分地吸收電磁輻射。
2.如權(quán)利要求1所述的封裝，其中，所述導(dǎo)電表面或每個(gè)導(dǎo)電表面包括分層結(jié)構(gòu)，其中第一層包括基板，而第二層包括導(dǎo)電材料。
3.如權(quán)利要求2所述的封裝，其中，所述基板包括選自氧化鋁、石英、塑料、玻璃和紙板的材料。
4.如權(quán)利要求2或者3所述的封裝，其中，所述基板包括占據(jù)所述空腔的大部分區(qū)域的電介質(zhì)。
5.如權(quán)利要求1到3中任一項(xiàng)所述的封裝，其中，具有所述至少一個(gè)導(dǎo)電表面的材料采用葉片的形狀。
6.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的封裝，其中，所述導(dǎo)電材料的至少一個(gè)區(qū)域被設(shè)置為具有與當(dāng)使用所述空腔時(shí)將存在的預(yù)定電磁場(chǎng)基本的電阻率相似的電阻率。
7.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的封裝，其中，所述導(dǎo)電表面具有不同于所述空腔的其他部分的電導(dǎo)率特性的電導(dǎo)率特性。
8.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的封裝，其中，所述封裝被設(shè)計(jì)成容納工作于毫米波和亞毫米波區(qū)域中的至少一個(gè)的電路。
9.如權(quán)利要求1到8中任一項(xiàng)所述的封裝，其中，所述導(dǎo)電表面或每個(gè)導(dǎo)電表面被安裝在所述封裝的可拆卸部分上。
10.如權(quán)利要求1到9中任一項(xiàng)所述的封裝，其中，所述導(dǎo)電表面或每個(gè)導(dǎo)電表面被安裝，以致所述導(dǎo)電表面或每個(gè)導(dǎo)電表面基本上垂直于所述葉片被安裝于其上的表面。
11.如權(quán)利要求1到10中任一項(xiàng)所述的封裝，其中，所述導(dǎo)電表面或每個(gè)導(dǎo)電表面相對(duì)于該封裝的一對(duì)相對(duì)壁以基本上對(duì)稱(chēng)的方式被安裝在所述空腔內(nèi)。
12.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的封裝，其中，所述導(dǎo)電表面或每個(gè)導(dǎo)電表面是基本上平面的。
13.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的封裝，其中，所述導(dǎo)電材料包含有鎳鉻合金。
14.如權(quán)利要求1到12中任一項(xiàng)所述的封裝，其中，所述導(dǎo)電材料包含碳。
15.一種用于抑制空腔諧振模輻射并且適合安裝在高頻電路的封裝內(nèi)的葉片，該葉片至少部分地包括導(dǎo)電材料層，該導(dǎo)電材料的電導(dǎo)率適于至少部分地吸收電磁輻射。
16.如權(quán)利要求15所述的葉片，其中，該葉片包含其上設(shè)有導(dǎo)電層的基板。
17.如權(quán)利要求15或16所述的葉片，其中，該葉片通過(guò)基本上沿著該葉片的邊緣粘貼的方式被安裝到封裝的內(nèi)表面。
18.一種被安裝封裝中的空腔內(nèi)的高頻電路，其中，該空腔具有內(nèi)表面，在該內(nèi)表面上安置了具有延伸到空腔內(nèi)的導(dǎo)電表面的材料，該導(dǎo)電表面的電導(dǎo)率適于至少部分地吸收電磁輻射。
19.一種制造高頻電路的封裝的方法，其包括在該封裝的內(nèi)表面上安置導(dǎo)電表面，該導(dǎo)電表面延伸到該封裝中，并且該導(dǎo)電表面的電導(dǎo)率適于至少部分地吸收電磁輻射。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中，通過(guò)下述方法之一來(lái)選擇導(dǎo)電表面的電導(dǎo)率封裝內(nèi)電路的預(yù)期電氣特性的模擬以及反復(fù)試驗(yàn)方法。
全文摘要
高頻工作的電路(4)由于其特性通常會(huì)輻射電磁能量。當(dāng)工作頻率越高時(shí)，這個(gè)問(wèn)題就變得更嚴(yán)重，因?yàn)檩椛洳ㄩL(zhǎng)相應(yīng)變短，并且因此輻射波長(zhǎng)變得更接近封裝本身以其發(fā)生諧振時(shí)的長(zhǎng)度。為了避免空腔諧振模諧振，在封裝空腔(2)中引入附著到蓋子(9)的截止元件(10)。該截止元件包括涂敷有導(dǎo)電層的介電基板。封裝空腔(2)也可填充有介電填充物，該介電填充物使得空腔的電學(xué)尺寸顯得比其物理尺寸大，這是因?yàn)榻殡姵?shù)更大的電介質(zhì)內(nèi)的電磁場(chǎng)的波長(zhǎng)會(huì)縮短。
文檔編號(hào)H01L23/24GK1890810SQ200480035752
公開(kāi)日2007年1月3日 申請(qǐng)日期2004年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月4日
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