（中國電子科技集團(tuán)公司第十四研究所，南京210039）

1 引言

隨著通信技術(shù)、超大規(guī)模集成電路技術(shù)、新型電子材料技術(shù)和封裝互聯(lián)技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代軍用和民用電子裝備正在向小型化、輕量化、高可靠、多功能和低成本方向發(fā)展。尤其機(jī)載、艦載、星載等電子裝備以及電子對(duì)抗中的通訊、雷達(dá)和光電子設(shè)備，均需要大量的高性能、高可靠的微電子模塊。系統(tǒng)級(jí)封裝(SIP)技術(shù)在單一封裝內(nèi)，可包含數(shù)字、模擬、射頻等多種功能[1-2]。三維SIP封裝是采用三維方向結(jié)構(gòu)形式對(duì)芯片進(jìn)行立體構(gòu)建的三維集成技術(shù)，在數(shù)字電路中己得到廣泛應(yīng)用，極大地減小了系統(tǒng)所占的體積和重量[3-4]。而在微波領(lǐng)域，由于垂直互聯(lián)在微波頻段的性能惡化劇烈，該技術(shù)目前尚未大批量使用。采用SIP技術(shù)的T/R組件與傳統(tǒng)T/R組件相比，將在體積和重量上具有明顯優(yōu)勢(shì)，將為現(xiàn)有的雷達(dá)裝備帶來重大的變革，對(duì)于T／R組件的小型化和整體性能水平的升級(jí)換代具有重大意義。

三維SIP封裝的關(guān)鍵技術(shù)在于怎樣實(shí)現(xiàn)上下各層平面電路的垂直互聯(lián)。垂直互聯(lián)是指系統(tǒng)級(jí)封裝中各信號(hào)層、電源層、接地層之間的相互聯(lián)接。通過垂直互聯(lián)，可以大大減小系統(tǒng)體積，提高電氣性能。因此，三維垂直互聯(lián)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)級(jí)封裝的關(guān)鍵技術(shù)之一。特別是在微波及射頻領(lǐng)域，研究垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，對(duì)于提升SIP封裝的整體性能具有重要意義。

2 封裝結(jié)構(gòu)

目前實(shí)現(xiàn)三維垂直互聯(lián)的主要方式有BGA焊球互聯(lián)、毛紐扣互聯(lián)等。采用BGA焊球互聯(lián)具有一致性好、集成密度高、互聯(lián)長度短等優(yōu)勢(shì)，但其工藝復(fù)雜，且對(duì)溫度梯度有依賴[5-6]；毛紐扣互聯(lián)具有免焊接、易拆卸、便于維護(hù)的特點(diǎn)，但成本較高[7-8]?；诖?，本設(shè)計(jì)提出了一種新的互聯(lián)結(jié)構(gòu)，采用直接焊接的方式，實(shí)現(xiàn)基板的垂直互聯(lián)，且集成度高，工藝也相對(duì)簡單。

本設(shè)計(jì)的SIP封裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。它通過三維堆疊結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)S波段收發(fā)通道的變頻功能，由兩層HTCC基板堆疊而成，每層HTCC基板上通過wire bond和表貼等工藝集成了低噪放、功放、濾波器及電阻、電容、電感等元器件?；逯g的互聯(lián)結(jié)構(gòu)決定了上下層電路之間的電信號(hào)及射頻信號(hào)的通信。兩層基板之間的互聯(lián)通過焊接實(shí)現(xiàn)，具體的工藝為：在互聯(lián)處預(yù)置焊盤，在焊盤上涂覆焊膏，精準(zhǔn)對(duì)位后，通過回流焊即可實(shí)現(xiàn)兩層之間的互聯(lián)。焊膏厚度約為0.2mm，因此，互聯(lián)結(jié)構(gòu)可近似為以焊盤直徑為直徑、高度為0.2mm的金屬圓柱。與使用焊球互聯(lián)的方式相比，采用焊料焊接的優(yōu)勢(shì)是工藝相對(duì)簡單，并且可以降低互聯(lián)長度，提高傳輸速率。

圖1 SIP結(jié)構(gòu)示意圖

3 仿真結(jié)果

HFSS是由Ansoft公司開發(fā)的全波三維電磁仿真軟件，采用自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)剖分技術(shù)和有限元法，仿真結(jié)果精確可靠?；谠撥浖?，構(gòu)建了疊層互聯(lián)結(jié)構(gòu)的模型，如圖2所示。該模型模擬了信號(hào)從上層HTCC基板通過互聯(lián)結(jié)構(gòu)傳遞到下層HTCC基板上的過程，其中虛線標(biāo)識(shí)的部分為兩層基板間的互聯(lián)結(jié)構(gòu)，如圖2右上角放大圖所示。為了保證信號(hào)的完整性并提供信號(hào)屏蔽，上下兩層HTCC基板之間的互聯(lián)采用類似同軸電纜的結(jié)構(gòu)，并在信號(hào)焊盤周圍，分布多個(gè)接地的焊盤。為降低定位難度，焊盤的尺寸不宜過小，根據(jù)工藝要求，兩層基板互聯(lián)處的焊盤直徑為0.6mm，互聯(lián)結(jié)構(gòu)可近似為直徑0.6mm、高度0.2mm的圓柱。

圖2 HFSS仿真模型示意圖

互聯(lián)結(jié)構(gòu)可以以同軸電纜模型來近似，如圖3所示。根據(jù)同軸電纜的特征阻抗公式

可計(jì)算當(dāng)特征阻抗為50Ω時(shí)，同軸電纜的相關(guān)尺寸。在本設(shè)計(jì)中，介電常數(shù)εr=1，中心線半徑a為焊盤半徑0.3mm，當(dāng)特征阻抗Zo為50Ω時(shí)，可推算出屏蔽半徑b約為0.68mm，相應(yīng)的信號(hào)焊盤到地焊盤的間距則為d=b+a=0.98mm。

圖3 同軸電纜近似模型

基于同軸電纜模型的計(jì)算結(jié)果，對(duì)于d在0.98mm附近開始優(yōu)化。選定d優(yōu)化范圍為0.7～1.3mm時(shí)，仿真得到的插入損耗結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，在5GHz以內(nèi)，總體變化趨勢(shì)是隨著間距d的增大，插損變大；當(dāng)間距d為0.7mm和0.8m時(shí)，插損相對(duì)較低，低于0.1dB，而且在5GHz以內(nèi)的插損曲線平坦，起伏較低；當(dāng)間距大于1.0mm后，插損隨著頻率增大而增加，在3.5GHz附近，插損約為0.25dB。

圖4 插損隨焊盤間距d變化的仿真結(jié)果

圖5(a)和(b)是不同間距下的輸入及輸出駐波比。由圖5可見，在5GHz的頻率內(nèi)，駐波比均低于1.25，端口匹配良好。其中當(dāng)d=0.7或0.8mm時(shí)，駐波比小于1.05，性能最佳。結(jié)合插損的結(jié)果，可以認(rèn)為當(dāng)信號(hào)焊盤和相鄰接地焊盤的圓心間距為0.7mm或0.8mm時(shí)，信號(hào)傳輸性能最佳。

圖5 端口駐波比隨焊盤間距d變化的仿真結(jié)果

焊盤間的間距越小，越有利于提高集成度，但隨著焊盤間間距的減小，工藝實(shí)現(xiàn)難度將會(huì)大增，也增加了相鄰焊盤的短路風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)d=0.8mm時(shí)，接地焊盤與信號(hào)焊盤的邊緣距離為0.2mm；當(dāng)d=0.7mm時(shí)，接地焊盤與信號(hào)焊盤邊緣距離為0.1mm。鑒于二者電性能上差異不大，為降低工藝難度，選擇d=0.8mm。圖6是d=0.8mm時(shí)，連接上下兩層HTCC基板的互聯(lián)結(jié)構(gòu)的S參數(shù)。在S波段該互聯(lián)結(jié)構(gòu)的插損低于0.01dB，回波損耗高于30dB，具有良好的信號(hào)傳輸能力。

圖6 焊盤圓心距離d為0.8時(shí)垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)的S參數(shù)

在實(shí)際工藝制備中，受空間限制，在互聯(lián)的信號(hào)焊盤周圍可能沒有空間來布設(shè)一圈接地焊盤。為了研究接地焊盤的分布對(duì)信號(hào)的影響，選取三種典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，分別是獨(dú)立的信號(hào)焊盤、有兩個(gè)接地焊盤的GSG結(jié)構(gòu)及類同軸電纜結(jié)構(gòu)，其對(duì)比示意圖如圖7所示。

圖7 三種垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)對(duì)比示意圖

這三種結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的插入損耗結(jié)果如圖8所示。類同軸電纜的垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)的插損最低，GSG結(jié)構(gòu)的插損次之，獨(dú)立的信號(hào)焊盤插損最大。在信號(hào)焊盤附近，增加接地焊盤，可以提供回流路徑，同時(shí)也便于阻抗控制。因此在實(shí)際制備中應(yīng)盡量保證信號(hào)焊盤周圍有接地焊盤。

圖8 不同垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)的插入損耗

焊盤的間距、接地焊盤分布等因素對(duì)于S波段射頻信號(hào)的傳輸性能的影響，從以上對(duì)三維SIP封裝中垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)的電磁場(chǎng)仿真中可得出明確直觀的分析。從仿真結(jié)果可見，當(dāng)焊盤直徑為0.6mm時(shí)，采用焊盤中心距離為0.8mm的類同軸電纜結(jié)構(gòu)，可以獲得優(yōu)良的射頻信號(hào)傳輸性能。

4 結(jié)束語

從實(shí)現(xiàn)S波段的射頻三維SIP的需求出發(fā)，基于微波傳輸理論，利用HFSS仿真技術(shù)，對(duì)垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真和優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一種低損耗低成本的垂直互聯(lián)方案。仿真結(jié)果顯示，采用類同軸電纜的垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)，射頻信號(hào)傳輸性能和阻抗匹配均能滿足要求。可以解決HTCC基板高密度垂直互聯(lián)的問題，對(duì)于實(shí)現(xiàn)三維的SIP封裝，推進(jìn)射頻前端的小型化、低成本化、高集成度化具有重要借鑒意義。