張 凱

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所,成都610036)

毫米波系統(tǒng)級(jí)封裝中的基板功能化實(shí)現(xiàn)*

張 凱**

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所,成都610036)

闡述了毫米波系統(tǒng)級(jí)封裝(SOP)架構(gòu)中基板功能化的概念、作用及實(shí)現(xiàn)方法。提出了利用低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù),在SOP多層陶瓷基板中一體化集成多種無(wú)源電路單元,使封裝基板在作為表面貼裝有源芯片載體的同時(shí),自身具備相應(yīng)的無(wú)源射頻功能。最終通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)例的仿真、加工及測(cè)試對(duì)比,驗(yàn)證了在SOP架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)封裝基板功能化的可行性,及其所具有的良好的射頻濾波、層間信號(hào)互聯(lián)、射頻接口過(guò)渡等電氣性能。

毫米波組件;系統(tǒng)級(jí)封裝;低溫共燒陶瓷;基板功能化

1 引 言

為實(shí)現(xiàn)毫米波系統(tǒng)的小型化、輕量化、高密度集成,目前主要有兩種實(shí)現(xiàn)途徑:一種是片上系統(tǒng)(System On Chip,SOC),即依賴(lài)于半導(dǎo)體工藝技術(shù),將射頻、數(shù)字、模擬等多個(gè)功能模塊在一塊半導(dǎo)體芯片上集成。若能實(shí)現(xiàn)顯然是目前集成密度最高、體積最小的一種系統(tǒng)集成方式。但SOC受半導(dǎo)體材料限制,對(duì)無(wú)源射頻電路尤其是濾波器、諧振器等高Q電路無(wú)法很好實(shí)現(xiàn);其次功能的增加導(dǎo)致芯片面積的增大,對(duì)工藝實(shí)現(xiàn)性和成品率都產(chǎn)生較大影響,隨之周期、成本也顯著增加。另一種途徑是基于封裝的系統(tǒng)(System On Package,SOP),即是在微波單片集成(MMIC)、多芯片組件(MCM)、數(shù)字與模擬集成以及光集成技術(shù)基礎(chǔ)上,將微波與射頻前端、數(shù)字與模擬信號(hào)處理電路、存儲(chǔ)器以及光器件等多個(gè)功能模塊集成在一個(gè)三維立體封裝內(nèi)的一種二次集成技術(shù)。該方式既充分利用了SOC等技術(shù)的集成成果,又借助多層基板三維封裝技術(shù),將無(wú)源元件埋置在多層基板內(nèi),使作為載體的基板功能化,設(shè)計(jì)空間大,技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度低,從而實(shí)現(xiàn)低成本和高可靠性,是目前發(fā)展迅速的一種比較理想的系統(tǒng)集成方式。

封裝基板功能化是系統(tǒng)級(jí)封裝的顯著特點(diǎn)。本文即是在毫米波系統(tǒng)級(jí)封裝(SOP)設(shè)計(jì)架構(gòu)下,明確了封裝基板功能化的概念,及其在毫米波SOP中所具有的功能,并利用低溫共燒陶瓷(LTCC)工藝,將多層基板作為有源芯片表面安裝載體的同時(shí),進(jìn)行無(wú)源電路的板內(nèi)一體化集成設(shè)計(jì),以此實(shí)現(xiàn)封裝基板的功能化。最后通過(guò)對(duì)X頻段埋置型濾波器、Ka頻段波導(dǎo)微帶過(guò)渡以及寬帶層間互聯(lián)等無(wú)源單元設(shè)計(jì)實(shí)例的加工測(cè)試,驗(yàn)證了在SOP架構(gòu)條件下實(shí)現(xiàn)封裝基板功能化的可實(shí)現(xiàn)性和良好的性能指標(biāo)。

2 基板功能化的概念

從本質(zhì)上講,SOP是吸收融合了SOC、SIP(System In Package)、MCM等多種集成技術(shù)成果的一種二次封裝技術(shù)。圖1為典型的SOP布局示意圖,可以看到在實(shí)現(xiàn)SOP過(guò)程中,諸如多功能有源射頻芯片、堆疊數(shù)字芯片、MEMS等無(wú)法封裝在基板內(nèi)部的元器件均采用表面貼裝方式安裝在封裝基板表面,而無(wú)源單元電路如射頻濾波器、電容電感、高頻層間互聯(lián)以及I/O過(guò)渡等則埋置在封裝基板內(nèi)部(圖中虛線(xiàn)框所示部分)。這樣使封裝基板在作為有源芯片載體的同時(shí),具有濾波、射頻互聯(lián)、I/O信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)渡等多種功能,即實(shí)現(xiàn)所謂基板功能化。基板功能化有效利用了封裝基板的三維空間,使僅具有支撐載體單一功能的電路基板多功能化,提高了電路的封裝集成度,是在SOP架構(gòu)中將有源、無(wú)源功能電路進(jìn)行合理布局和高密度集成的平臺(tái),是SOP技術(shù)在吸納多種封裝技術(shù)成果的基礎(chǔ)上,向更高集成度跨越的橋梁。

圖1 典型系統(tǒng)級(jí)封裝布局示意圖Fig.1 Typical layout of system on package

3 基板功能化的實(shí)現(xiàn)

3.1 基板功能化的實(shí)現(xiàn)方法

功能化基板要將適合內(nèi)埋的多種無(wú)源單元電路一體化集成在基板內(nèi)部,就需要一種能實(shí)現(xiàn)三維布局的基板工藝來(lái)支撐。低溫共燒陶瓷(LTCC)作為一種成熟的多層基板工藝,將厚膜印刷的生瓷帶疊層共燒成型,使電路的設(shè)計(jì)空間從傳統(tǒng)的二維平面向三維空間進(jìn)行了拓展,非常適用于無(wú)源電路的內(nèi)埋。同時(shí)LTCC陶瓷基板高頻損耗低,穩(wěn)定性高,熱膨脹系數(shù)與Si、GaAs等材料匹配,是比較理想的半導(dǎo)體芯片安裝載體。

具體到電路設(shè)計(jì)中可采用LTCC技術(shù),在多層陶瓷基板中內(nèi)埋諸如射頻濾波器、層間互聯(lián)、I/O接口過(guò)渡等無(wú)源功能電路,使LTCC多層基板在作為芯片貼裝載體的同時(shí),充分利用內(nèi)層三維立體空間實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的電氣功能,即實(shí)現(xiàn)高密度封裝基板的功能化。下面通過(guò)幾個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例來(lái)驗(yàn)證上述方法的可行性和最終效果。

3.2 X頻段本振濾波功能

本振鏈路諧波抑制濾波器是毫米波系統(tǒng)中比較常見(jiàn)的分立元件,通常采用表面安裝的方式二次組裝在電路基板上。通過(guò)采用LTCC多層基板技術(shù),可將該濾波單元埋置在基板內(nèi)層而與電路基板一體化加工實(shí)現(xiàn),這樣電路基板本身具有了本振濾波功能。以某本振鏈路中X頻段濾波器為例,設(shè)計(jì)在基波二倍頻之后,二次諧波9.6 GHz是有用信號(hào),輸入基波(4.8 GHz)和三次諧波(14.4 GHz)需要抑制45 dB以上。

濾波器采用交指型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),各諧振單元上下層交叉布局,并埋置在LTCC多層基板內(nèi)部,短路端通過(guò)基板多層金屬化填充孔接地實(shí)現(xiàn),輸入輸出接口采用帶線(xiàn)寬邊耦合方式。為約束濾波器電磁場(chǎng)能量,防止在組件中與其他單元電路相互干擾,在濾波器周?chē)O(shè)置柵狀金屬填充孔陣列。LTCC基板采用FerroA6-M材料,加工實(shí)物如圖2所示。S參數(shù)三維場(chǎng)仿真軟件(HFSS)仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖3所示,通帶(9～10.2 GHz)內(nèi)插損實(shí)測(cè)小于3 dB,扣除接頭損耗插損略大于仿真值,9.6 GHz處插損約2.6 dB;帶外抑制4.8 GHz處約46 dB, 14.4 GHz處達(dá)到68 dB。

圖2 交指型濾波器加工實(shí)物圖Fig.2 Photograph of the interdigital filter

圖3 三維EM仿真與實(shí)測(cè)S參數(shù)對(duì)比Fig.3 S-parameter comparison between EM-simulation and measurement

通過(guò)濾波器的多層內(nèi)埋布局,一方面進(jìn)一步減小了電路體積,實(shí)現(xiàn)小型化集成;另一方面濾波器加工與電路基板加工同時(shí)完成而無(wú)需額外安裝工序,電路基板即具有射頻濾波功能。

3.3 Ka頻段波導(dǎo)微帶過(guò)渡功能

在Ka頻段收發(fā)組件中為減小傳輸損耗,射頻接口通常是矩形波導(dǎo),而組件內(nèi)部MMIC裸片集成通常采用微帶線(xiàn)傳輸結(jié)構(gòu),因此在射頻接口處需要波導(dǎo)到微帶的過(guò)渡來(lái)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換?；旌霞呻娐分谐Ｓ玫奈结槨Ⅵ捑€(xiàn)漸變線(xiàn)等過(guò)渡結(jié)構(gòu)要么需要額外的短路面,且結(jié)構(gòu)異型;要么電路尺寸偏大,均難滿(mǎn)足實(shí)現(xiàn)毫米波組件小型化系統(tǒng)級(jí)封裝的需求。

本文提出的基于LTCC工藝的波導(dǎo)微帶過(guò)渡,根據(jù)縫隙耦合和貼片天線(xiàn)諧振輻射理論,通過(guò)射頻地上的縫隙結(jié)構(gòu),將空氣波導(dǎo)傳輸?shù)碾姶挪芰狂詈系交硪粋?cè)微帶線(xiàn)上,耦合縫隙的諧振頻率決定了耦合的頻率適用范圍。為拓展過(guò)渡帶寬,在諧振貼片兩側(cè)加入寄諧振振貼片,利用寄生貼片與主諧振貼片間的耦合諧振可以在通帶內(nèi)多引入一個(gè)諧振點(diǎn),以拓展過(guò)渡結(jié)構(gòu)的帶寬。

為方便測(cè)試,在LTCC基板上制作了背靠背的過(guò)渡結(jié)構(gòu)樣品,介質(zhì)材料選用FerroA6-M,加工實(shí)物如圖4所示,對(duì)實(shí)物的實(shí)測(cè)結(jié)果與三維場(chǎng)仿真結(jié)果對(duì)比如圖5所示。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn):從整個(gè)過(guò)渡通帶來(lái)看,實(shí)測(cè)與仿真吻合得較好。包含19 mm長(zhǎng)微帶線(xiàn)在內(nèi)的背靠背過(guò)渡結(jié)構(gòu),在29～38 GHz約9 GHz帶寬內(nèi)插損小于1.7 dB,等效單邊過(guò)渡結(jié)構(gòu)插損小于0.7 dB,實(shí)測(cè)有效過(guò)渡帶寬近26.8%。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該結(jié)構(gòu)獲得了良好的寬帶過(guò)渡性能,結(jié)構(gòu)緊湊合理,介質(zhì)填充波導(dǎo)、埋置諧振貼片單元、耦合縫隙及表層微帶線(xiàn)與LTCC多層基板一體化集成,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且無(wú)需短路面,使基板自身即具備射頻接口過(guò)渡功能,滿(mǎn)足了毫米波系統(tǒng)級(jí)封裝對(duì)過(guò)渡結(jié)構(gòu)的需求。

圖4 LTCC波導(dǎo)到微帶過(guò)渡實(shí)物加工圖Fig.4 Photograph of the LTCC transition

圖5 LTCC波導(dǎo)到微帶過(guò)渡實(shí)測(cè)與仿真對(duì)比Fig.5 Comparison between simulation and measurement of LTCC waveguide-microstrip transition

3.4 寬帶層間互連功能

隨著基板表面貼裝有源電路和板內(nèi)埋置集成電路單元的增加,相互之間的三維立體高頻信號(hào)互聯(lián)成為毫米波系統(tǒng)級(jí)封裝布局設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。本文研究的即是利用LTCC工藝在基板Z向?qū)崿F(xiàn)類(lèi)同軸結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)基板表面微帶線(xiàn)與基板內(nèi)埋帶狀線(xiàn)的射頻互聯(lián)。類(lèi)同軸結(jié)構(gòu)即在表層微帶和內(nèi)層帶狀線(xiàn)之間,通過(guò)加入金屬填充接地孔,沿Z向構(gòu)成內(nèi)外雙導(dǎo)體的傳輸模式,即等效同軸傳輸結(jié)構(gòu),獲得了較為理想的電磁波傳輸路徑。

加工實(shí)物如圖6所示,為方便測(cè)試采用背靠背電路形式。探針臺(tái)測(cè)試結(jié)果如圖7所示,背靠背結(jié)構(gòu)(含內(nèi)層5mm帶狀線(xiàn)插損)在20～40 GHz頻帶內(nèi)插損小于1.75 dB(20～35 GHz頻帶內(nèi)小于1 dB), 20～40 GHz帶內(nèi)回波損耗優(yōu)于-13.5 dB(23～37 GHz帶內(nèi)回波損耗優(yōu)于-20 dB)。該互聯(lián)結(jié)構(gòu)充分利用了LTCC多層基板及Z向堆積孔工藝特性,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊,易于集成,能方便地在封裝基板中實(shí)現(xiàn)各功能單元的相互連接與饋通。

圖6 LTCC寬帶互聯(lián)實(shí)物加工圖Fig.6 Photograph of the LTCC multilayer interconnection

圖7 LTCC寬帶互聯(lián)實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.7 Measured result of LTCC broadband interconnection circuits

4 結(jié) 論

在微波毫米波系統(tǒng)級(jí)封裝研究中,通過(guò)將無(wú)源電路在封裝基板中一體化集成、實(shí)現(xiàn)基板的多功能化是其關(guān)鍵一環(huán)與顯著特點(diǎn)。本文闡述了毫米波系統(tǒng)級(jí)封裝基板功能化的定義及特點(diǎn),并采用LTCC工藝,通過(guò)對(duì)封裝基板多種典型功能一體化集成的設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行仿真及加工實(shí)測(cè)對(duì)比,驗(yàn)證了SOP基板功能化的可實(shí)現(xiàn)性和功能化基板所具有的良好性能指標(biāo),為后續(xù)完整實(shí)現(xiàn)微波毫米波系統(tǒng)級(jí)封裝進(jìn)行了有益的探索與技術(shù)積淀。

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ZHANG Kai was born in Ya′an,Sichuan Province,in 1981.He received the M.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2007.He is now an engineer.His research concerns microwave&millimeterwave circuits and SOP.

Email:zkwd1981@126.com

Realization of Substrate Functionalization in Millimeter-wave System on Package

ZHANG Kai
(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

The concept,function and realization of substrate functionalization in millimeter-wave(MMW) system on package(SOP)are presented in this paper.By using Low Temperature Co-fired Ceramic (LTCC)technology,multiple MMW passive circuit cells are incorporated into multi-layer ceramic substrate to make the substrate which is taken as the carrier of surface-mounted active chips have corresponding passive RF function by itself.Finally,comparison among simulation and measurement proves the feasibility of functional substrate,and good performance related to RF filtering,multilayer signal interconnection and RF connection-port transition.

millimeter-wave module;SOP;LTCC;substrate functionalization

date:2013-05-31;Revised date:2013-09-02

**通訊作者:zkwd1981@126.com Corresponding author:zkwd1981@126.com

TN80

A

1001-893X(2013)10-1389-04

張 凱(1981—),男,四川雅安人,2007年于電子科技大學(xué)微波工程系獲工學(xué)碩士學(xué)位,現(xiàn)為工程師,主要從事微波毫米波電路及小型化封裝研究。

10.3969/j.issn.1001-893x.2013.10.026

2013-05-31;

2013-09-02