張先榮

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

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一種低損耗毫米波垂直互聯(lián)設(shè)計*

張先榮**

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

設(shè)計了一種利用球柵陣列(BGA)的毫米波垂直互聯(lián)，解決了毫米波系統(tǒng)三維(3D)集成時層間信號互聯(lián)的低損耗傳輸問題。根據(jù)傳輸線理論，利用電磁仿真軟件對這種采用BGA的垂直互聯(lián)進行了仿真，并對層間通孔半徑、焊球半徑、焊盤半徑等對傳輸性能的影響進行了分析。樣件測試結(jié)果顯示，在28.4～30.4 GHz，其層間垂直傳輸損耗小于0.36 dB，反射小于-15 dB。該垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)簡單、性能良好，可廣泛用于毫米波微系統(tǒng)3D集成。

毫米波微系統(tǒng)；垂直互聯(lián)；球柵陣列；3D集成

1 引 言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的快速發(fā)展，大量的電子裝備和產(chǎn)品不斷朝小型化、高可靠、多功能化的方向發(fā)展，這就對產(chǎn)品的封裝提出了更高的要求。各類集成封裝方式也在近些年得到不斷的完善和突破,而超越摩爾定律的微系統(tǒng)化也不斷地應(yīng)用到各類電子裝備中[1-4]。在此過程中，傳統(tǒng)的二維平面封裝已經(jīng)不能滿足需求，取而代之的一個方法就是對產(chǎn)品進行三維(Three Dimensional，3D)集成設(shè)計和封裝[5-6]。封裝技術(shù)在3D集成方面發(fā)揮著極其重要的作用，尤其是其中的球柵陣列(Ball Grid Array，BGA)集成封裝因其在互聯(lián)時具有一致性好、集成密度高、層間互聯(lián)間距短等優(yōu)異性能而成為了一種先進的封裝方式，被廣泛應(yīng)用于各類電子設(shè)備[7-9]。

垂直互聯(lián)作為3D集成封裝的關(guān)鍵技術(shù)之一，已經(jīng)成為了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的一個熱點研究課題。目前的垂直互聯(lián)技術(shù)主要應(yīng)用于數(shù)字電路或低頻電路的高密度集成封裝中，射頻方面的應(yīng)用相對較少且主要工作于Ku及以下頻段。文獻[10]采用毛紐扣結(jié)構(gòu)工作于16 GHz以下，插損大于1 dB。文獻[11]報道了一種工作頻率可達18 GHz的準同軸結(jié)構(gòu)的垂直過渡，其損耗為0.8 dB。工作于Ka及以上頻段的更是鮮有報道。文獻[12]采用硅基板作為載體并用同軸結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了Ka頻段的垂直過渡，但其插入損耗達到3.5 dB，未能達到低損耗傳輸?shù)哪康摹?/p>

毫米波電路具有波長短、頻帶寬、準光性等獨特優(yōu)點，因而毫米波設(shè)備正大量應(yīng)用于偵察、通信等各類裝備系統(tǒng)中。在微系統(tǒng)化的進程中，實現(xiàn)毫米波電路的3D集成封裝也是一個不可避免的趨勢。為了實現(xiàn)毫米波頻段3D集成封裝垂直過渡信號的低損耗傳輸，本文設(shè)計了一種低損耗毫米波垂直互聯(lián)，采用BGA實現(xiàn)上下兩層基板間的信號傳輸，并對樣件進行了測試。該垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)在Ka頻段具有良好的射頻傳輸特性，對射頻層間垂直傳輸具有很好的借鑒意義，可用于毫米波微系統(tǒng)的3D集成。

2 垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

垂直互聯(lián)需要解決的主要問題是射頻信號在上下層基板間的低損耗垂直傳輸以及與外部的互聯(lián)互通?？紤]到互聯(lián)結(jié)構(gòu)的射頻電氣性能、結(jié)構(gòu)強度和封裝測試的方便性等因素，整個結(jié)構(gòu)主要分為上層用于蓋封及保護的基板、中間用于射頻傳輸功能的基板、BGA焊球和下層用于射頻傳輸?shù)幕?個部分，基板上還設(shè)有相應(yīng)的金屬傳輸線和作為功能地的金屬層。

為了垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)便于與外部器件的互聯(lián)，將該垂直互聯(lián)的對外接口經(jīng)過內(nèi)部共面波導(dǎo)到微帶過渡，最終設(shè)置為標準的50 Ω微帶傳輸線端口。射頻電路基板選用的是Rogers 4350B，其介電常數(shù)為3.48，損耗角正切為0.004，每層基板的厚度為0.254 mm，以便具有良好的射頻性能和機械強度；基板上信號傳輸層和地面層的金屬厚度設(shè)置為0.018 mm；BGA焊球的半徑為0.25 mm。整個結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of vertical connection structure

3 垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)的設(shè)計及仿真

具體的垂直互聯(lián)仿真采用電磁仿真軟件HFSS來完成，其分層及整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。上層用于蓋封的介質(zhì)基板只在其頂層設(shè)有金屬地層；用于射頻信號傳輸?shù)膬蓚€基板層上均設(shè)置有微帶線-共面波導(dǎo)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，并且兩個基板結(jié)構(gòu)布局相似，只是上層基板中設(shè)置有用于射頻信號傳輸?shù)耐?；兩個射頻傳輸層之間是BGA焊球，其中中間的焊球還具有信號傳輸功能；中間粉紅色的部分為信號傳輸路徑示意圖。

(a)垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖

(b)單層結(jié)構(gòu)示意圖圖2 垂直互聯(lián)仿真結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Schematic diagram of vertical connection simulation

結(jié)構(gòu)設(shè)計時，考慮到微波頻段上共面波導(dǎo)的色散效應(yīng)小的優(yōu)良特性，在射頻傳輸層的同一介質(zhì)平面上通過微帶線與共面波導(dǎo)的過渡，將信號傳輸至共面波導(dǎo)上；同時,在介質(zhì)基板上共面波導(dǎo)傳輸線的頂端設(shè)置半徑r2為0.17 mm的金屬通孔(實際生產(chǎn)中通孔內(nèi)填充銅漿形成實心銅柱)，用于射頻信號在介質(zhì)內(nèi)的垂直傳輸。在r2的外部設(shè)置有半徑r4為0.22 mm的焊盤，用于焊接在兩層之間起信號垂直互聯(lián)作用的BGA焊球。層間射頻信號的垂直傳輸就可以通過上層介質(zhì)基板上的共面波導(dǎo)、金屬銅柱、連接于上層銅柱底面和下層基板上的BGA焊球以及下層介質(zhì)基板表面的共面波導(dǎo)來完成。為了實現(xiàn)良好的接地和信號的隔離，采取了在傳輸線的兩邊介質(zhì)通孔內(nèi)填充銅漿形成金屬柱以及在對應(yīng)的層間銅柱上焊接BGA球的措施。

整個毫米波垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)S參數(shù)仿真曲線如圖3所示，在28.2～30.4 GHz其反射小于-20 dB，插損小于0.15 dB。

圖3 垂直互聯(lián)仿真S參數(shù)圖Fig.3 Simulated S-parameters of the vertical connection

圖4是BGA半徑r5發(fā)生改變時對S11的影響仿真圖。從圖中可以看出，在BGA焊球半徑r5為0.25 mm的附近時，隨著半徑的增大，S11頻率往低端偏移的同時還會產(chǎn)生性能惡化。這樣在設(shè)計時，需要選擇球徑變化小的BGA球；同時在焊接裝配過程中要注意減小層間的高度裝配誤差，盡量與廠家給出的BGA焊球焊接后的半徑變化參數(shù)保持一致，以減小層間高度偏差帶來焊球半徑變化過大對反射造成的不利影響。

圖4 S11隨BGA焊球半徑r5變化對應(yīng)圖Fig.4 S11-parameter with various r5

圖5是在焊球參數(shù)不變的情況下，單獨對整個設(shè)計、加工過程中其他容易對性能造成影響的幾個因素進行了仿真分析。從圖5(a)可以看出，S11會隨著介質(zhì)層的中心通孔半徑r2的增大往頻率低端偏移，但整個過程中S11的曲線形狀保持良好；圖5(b)反映的是隨著中心焊盤半徑r4的增大，S11頻率也隨著降低的情形；圖5(c)是焊盤外的隔離環(huán)半徑r6變化對S11參數(shù)的影響。從圖中可以看出，在一定范圍內(nèi)的半徑變化幾乎不會對S11參數(shù)帶來影響。這樣，設(shè)計時就可以根據(jù)需要著重選擇對通孔半徑r2和焊盤半徑r4進行關(guān)注并適當(dāng)微調(diào)，以便在后續(xù)的加工過程中采用合適的加工工藝，以使得該垂直互聯(lián)在保證性能的情況下還要具有良好的性價比。

(a)S11隨層間通孔半徑r2的變化對應(yīng)圖

(b)S11隨焊盤半徑r4的變化對應(yīng)圖

(c)S11隨隔離環(huán)r6的變化對應(yīng)圖圖5 S11與r2、r4 和r6變量變化對應(yīng)圖Fig.5 S11-parameter with various r2,r4 and r6

4 垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)的加工實現(xiàn)

根據(jù)電磁仿真所得到的結(jié)構(gòu)尺寸，對垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)進行了實物加工。電路基板Rogers 4350B的厚度為0.254 mm，其表面金屬層采用沉金工藝，共面波導(dǎo)段的帶線寬度0.5 mm，縫隙寬度為0.15 mm。BGA焊球半徑0.25 mm，封裝過程中先進行單層的BGA植球，再疊層后整體進行回流焊。

加工、封裝的垂直互聯(lián)實物如圖6所示。左上角是垂直互聯(lián)的單層實物結(jié)構(gòu)(上層)，圖中包含了微帶與共面波導(dǎo)的過渡、介質(zhì)層中心通孔填充銅漿后形成的銅柱，以及圖中11個用于放置BGA的圓環(huán)式焊盤。圖6右端分別展示的是將BGA焊球放植于焊盤位置時的下層介質(zhì)基板，中間的BGA球用于射頻信號傳輸，兩邊的10個BGA用于接地、對介質(zhì)基板起支撐以及信號的隔離作用。圖6左下角是將上下兩層微帶-共面波導(dǎo)傳輸層、BGA和頂層蓋板通過回流焊焊接后形成的整個垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)。左右兩端外露的金屬線是標準的50 Ω傳輸線。

圖6 垂直互聯(lián)實物圖Fig.6 Photo of the vertical connection

5 垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)的測試驗證

整個垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)的性能測試驗證是將互聯(lián)結(jié)構(gòu)安裝在一個專門制作的金屬測試臺中，兩端通過金絲鍵合與標準的50 Ω微帶線進行連接，再通過微帶轉(zhuǎn)K接頭作為整個測試結(jié)構(gòu)的輸入輸出端。實際測試裝配圖如圖7所示。

圖7 實物測試圖Fig.7 Photo of sample test

實物測試是在常溫環(huán)境下利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來完成，對儀器的校準采用的是電子校準件。整個實物測試曲線圖如圖8所示，從圖中可以看出，在28.4～30.4 GHz,整個插損小于2.59 dB。另外，如圖7所示，直接將垂直互聯(lián)部分用微帶線進行替換，再次測出插損值，約為2.23 dB。因此，在扣除轉(zhuǎn)接頭帶來的損耗(包含2個K接頭、1個雙陽2.4/2.92接頭、1個2.4/2.92陰陽接頭)以及微帶傳輸線(長度約40 mm)及鍵合損耗后，整個垂直互聯(lián)在28.4～30.4 GHz的損耗為0.36 dB，其反射均小于-15 dB，反映了該毫米波垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)優(yōu)良的射頻傳輸性能。

(a)S21測試曲線

(b)S22測試曲線圖8 S參數(shù)實測結(jié)果圖Fig.8 Measured S-parameters

從測試和仿真結(jié)果的對比來看，整體性能吻合良好，因為在加工和裝配的過程中，由于基板的厚度、焊球在實際的焊接過程中半徑的變化都會與廠家給定的理論值存在偏差，以及裝配誤差等都會帶來影響，兩者也存在一定的差異。設(shè)計時可通過調(diào)整通孔半徑r2和焊球半徑r5來實現(xiàn)更寬的帶寬需求。后續(xù)可以通過設(shè)計專用的工裝來減小裝配、焊接封裝過程帶來的誤差對S參數(shù)的不利影響。

為了便于與文獻的垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)進行對比，表1列出了其主要性能參數(shù)。從對比情況可以看出，本文所設(shè)計的垂直過渡工作頻率更高,插損更小。

表1 垂直過渡結(jié)構(gòu)比較Tab.1 Vertical interconnection comparison

6 結(jié) 論

本文從實現(xiàn)毫米波微系統(tǒng)功能電路及模塊的3D高密度集成封裝實際應(yīng)用需求出發(fā)，針對現(xiàn)有毫米波垂直互聯(lián)采用類同軸結(jié)構(gòu)損耗過大的問題，基于微波傳輸理論，通過HFSS建模仿真優(yōu)化，設(shè)計了一種利用BGA的低損耗毫米波垂直互聯(lián)。通過對加工的實物樣件進行測試，顯示出其在毫米波頻段的優(yōu)良射頻傳輸性能。該結(jié)構(gòu)證明了BGA用于毫米波微系統(tǒng)層間射頻垂直傳輸?shù)目尚行?，對毫米波射頻前端、信道等微系統(tǒng)3D集成封裝設(shè)計具有重要的借鑒意義。

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Design of a Low Loss Millimeter Wave Vertical Interconnection

ZHANG Xianrong

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

The design of a millimeter wave(MMW) vertical interconnection with ball grid array(BGA) is presented in this paper,which solves the problem of low loss transmission between interlayers in the three dimensional(3D) integration process. According to the transmission line theory,the vertical interconnection of BGA is simulated with electromagnetic simulation software. The influence of interlayer through-hole radius,BGA solder ball radius and pad radius on transmission performance is analyzed.Sample test result shows that the transmission loss is less than 0.36 dB and the reflection is less than -15 dB between 28.4 GHz and 30.4 GHz. The vertical interconnection has a simple structure and good performance,which can be widely used in 3D integration of MMW microsystems.

millimeter wave microsystem;vertical interconnection;ball grid array(BGA);3D integration

10.3969/j.issn.1001-893x.2017.07.016

張先榮.一種低損耗毫米波垂直互聯(lián)設(shè)計[J].電訊技術(shù)，2017,57(7):825-829.[ZHANG Xianrong.Design of a low loss millimeter wave vertical interconnection[J].Telecommunication Engineering,2017,57(7):825-829.]

2017-04-01；

2017-06-05 Received date:2017-04-01；Revised date：2017-06-05

中國西南電子技術(shù)研究所發(fā)展創(chuàng)新基金(H15028)

TN405.97

A

1001-893X(2017)07-0825-05

張先榮(1975—)，男，四川富順人，2009年和2013年于電子科技大學(xué)分別獲碩士學(xué)位和博士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向為毫米波電路與系統(tǒng)、微系統(tǒng)集成技術(shù)等。

Email:zxrhappy205@126.com

**通信作者：zxrhappy205@126.com Corresponding author：zxrhappy205@126.com