[发明专利]毫米波天线-滤波器模块

说明书

提供天线‑滤波器阵列模块和制造天线‑滤波器阵列模块的方法。一种制造方法包含经由第一组焊球将具有多个天线和对应的滤波器的低温共烧陶瓷LTCC片结合到模块PCB的第一面，模块PCB的热膨胀系数CTE在无线电PCB的CTE的预定量之内。该方法还包含在结合后将LTCC片切割成多个可靠性单元，每个可靠性单元的大小小于预定的最大可靠大小。

技术领域

本公开涉及无线通信，并且特定地涉及天线-滤波器阵列模块及其制造方法。

背景技术

已建议将集成的低温共烧（LTCC）天线-滤波器阵列模块用于毫米波（mmWave）第五代（5G）先进天线系统（AAS）。如图1中所示，用于天线-滤波器阵列的布线电路也可以与天线-滤波器阵列集成在一起。图1示出天线-滤波器阵列模块10的俯视图和剖面侧视图。天线-滤波器阵列模块10具有天线-滤波器阵列12，阵列12包含在布线层12c上方的天线层12a和滤波器层12b。天线层具有在每行中M个元件的N行的阵列中的多个天线元件，其中N和M是整数并且可以是相等的。

在图1的示例中，存在经由焊球18安装在无线电印刷电路板（PCB）16上方的四行（N=M=4）交叉偏振天线元件14。

虽然集成的LTCC天线-滤波器阵列模块与其它天线-滤波器集成解决方案相比具有优势，诸如较高的射频（RF）性能、较小的大小和较低的成本等，但是已证明这种设计对于mmWave 5G AAS来说是不可靠的。

在一项评估安装在标准型无线电PCB Megatron-6上的LTCC天线-滤波器阵列模块的可靠性的研究中，测试了LTCC天线-滤波器模块的三组尺寸（25×25mm、12×12mm和6×6mm）。只有对应于1×1（即，单一元件）28GHz天线-滤波器单元尺寸的最小尺寸6×6（mm）模块样品示出了接近于无线电要求的可靠性结果。较大的两个模块样品在测试期间出故障了。

技术上，模块可靠性由两个主要因素来确定：一个是天线-滤波器阵列12与其安装的无线电PCB 16之间失配的热膨胀系数（CTE）的差；另一个是确定无线电PCB 16上焊球18的跨距的天线-滤波器阵列12的尺寸。

测试表明，故障可能归因于焊球开裂。由归因于失配的CTE的施加在焊球上的交替变化的热应力直接导致这种开裂。两个CTE之间的差越大，焊球上的热应力就越强。此外，焊球之间的跨距越大，施加在焊球上的热应力就越强。一般来说，越大的模块尺寸需要焊球之间越大的跨距。因此，为了提高模块可靠性，应该减小CTE的差，或者理论上应该减小LTCC天线-滤波器阵列的尺寸。

然而，因为天线-滤波器阵列尺寸（在本文中也称为大小）受制于诸如避免栅瓣和减少天线元件之间互耦之类的其它设计考虑，所以天线-滤波器阵列尺寸的减小不是理想的选项。改变CTE之间的差也是不切实际的。诸如Megatron-6和FR4之类的标准印刷电路板材料的类型具有类似的CTE~15ppm/C。相比之下，LTCC天线-滤波器阵列通常具有CTE~7ppm/C，这仅是Megatron-6或FR4 PCB的CTE的一半。由于Megatron-6和FR4在无线电制造业中被广泛使用，将可能更接近匹配LTCC天线-滤波器阵列的CTE的其它材料用于无线电PCB是不可行的。

图2-5示出已试图解决这些可靠性问题的现有提案。例如，图2示出使用众所周知的底部填充技术的提案，其中，底部填充材料20位于天线-滤波器阵列12与无线电PCB 16之间。这种技术在工业中被广泛用于在PCB上安装大尺寸的芯片。工程师不优选这种方法，因为它是脏的，而且，一旦芯片被安装，就不能容易地从无线电PCB 16去除底部填充材料20。

图3示出第二种提案，该提案使用焊料涂覆的聚合物球22。这种类型的连接球比传统的焊球软得多，因为焊料涂覆的聚合物球内部具有聚合物核。这种解决方案的缺点是其非常高的成本。