（中國電子科技集團公司第十四研究所，南京210039）

1 引言

隨著通信技術、超大規(guī)模集成電路技術、新型電子材料技術和封裝互聯(lián)技術的快速發(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。尤其機載、艦載、星載等電子裝備以及電子對抗中的通訊、雷達和光電子設備，均需要大量的高性能、高可靠的微電子模塊。系統(tǒng)級封裝(SIP)技術在單一封裝內(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構形式對芯片進行立體構建的三維集成技術，在數(shù)字電路中己得到廣泛應用，極大地減小了系統(tǒng)所占的體積和重量[3-4]。而在微波領域，由于垂直互聯(lián)在微波頻段的性能惡化劇烈，該技術目前尚未大批量使用。采用SIP技術的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，將為現(xiàn)有的雷達裝備帶來重大的變革，對于T／R組件的小型化和整體性能水平的升級換代具有重大意義。

三維SIP封裝的關鍵技術在于怎樣實現(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)級封裝中各信號層、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)技術是實現(xiàn)整個系統(tǒng)級封裝的關鍵技術之一。特別是在微波及射頻領域，研究垂直互聯(lián)結構的優(yōu)化，對于提升SIP封裝的整體性能具有重要意義。

2 封裝結構

目前實現(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，但其工藝復雜，且對溫度梯度有依賴[5-6]；毛紐扣互聯(lián)具有免焊接、易拆卸、便于維護的特點，但成本較高[7-8]?；诖耍驹O計提出了一種新的互聯(lián)結構，采用直接焊接的方式，實現(xiàn)基板的垂直互聯(lián)，且集成度高，工藝也相對簡單。

本設計的SIP封裝結構如圖1所示。它通過三維堆疊結構來實現(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)結構決定了上下層電路之間的電信號及射頻信號的通信。兩層基板之間的互聯(lián)通過焊接實現(xiàn)，具體的工藝為：在互聯(lián)處預置焊盤，在焊盤上涂覆焊膏，精準對位后，通過回流焊即可實現(xiàn)兩層之間的互聯(lián)。焊膏厚度約為0.2mm，因此，互聯(lián)結構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)勢是工藝相對簡單，并且可以降低互聯(lián)長度，提高傳輸速率。

圖1 SIP結構示意圖

3 仿真結果

HFSS是由Ansoft公司開發(fā)的全波三維電磁仿真軟件，采用自適應網(wǎng)絡剖分技術和有限元法，仿真結果精確可靠?；谠撥浖?，構建了疊層互聯(lián)結構的模型，如圖2所示。該模型模擬了信號從上層HTCC基板通過互聯(lián)結構傳遞到下層HTCC基板上的過程，其中虛線標識的部分為兩層基板間的互聯(lián)結構，如圖2右上角放大圖所示。為了保證信號的完整性并提供信號屏蔽，上下兩層HTCC基板之間的互聯(lián)采用類似同軸電纜的結構，并在信號焊盤周圍，分布多個接地的焊盤。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)結構可近似為直徑0.6mm、高度0.2mm的圓柱。

圖2 HFSS仿真模型示意圖

互聯(lián)結構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

可計算當特征阻抗為50Ω時，同軸電纜的相關尺寸。在本設計中，介電常數(shù)εr=1，中心線半徑a為焊盤半徑0.3mm，當特征阻抗Zo為50Ω時，可推算出屏蔽半徑b約為0.68mm，相應的信號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算結果，對于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，仿真得到的插入損耗結果如圖4所示。從圖中可以看出，在5GHz以內(nèi)，總體變化趨勢是隨著間距d的增大，插損變大；當間距d為0.7mm和0.8m時，插損相對較低，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d=0.7或0.8mm時，駐波比小于1.05，性能最佳。結合插損的結果，可以認為當信號焊盤和相鄰接地焊盤的圓心間距為0.7mm或0.8mm時，信號傳輸性能最佳。

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，工藝實現(xiàn)難度將會大增，也增加了相鄰焊盤的短路風險。當d=0.8mm時，接地焊盤與信號焊盤的邊緣距離為0.2mm；當d=0.7mm時，接地焊盤與信號焊盤邊緣距離為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，連接上下兩層HTCC基板的互聯(lián)結構的S參數(shù)。在S波段該互聯(lián)結構的插損低于0.01dB，回波損耗高于30dB，具有良好的信號傳輸能力。

圖6 焊盤圓心距離d為0.8時垂直互聯(lián)結構的S參數(shù)

在實際工藝制備中，受空間限制，在互聯(lián)的信號焊盤周圍可能沒有空間來布設一圈接地焊盤。為了研究接地焊盤的分布對信號的影響，選取三種典型結構進行分析，分別是獨立的信號焊盤、有兩個接地焊盤的GSG結構及類同軸電纜結構，其對比示意圖如圖7所示。

圖7 三種垂直互聯(lián)結構對比示意圖

這三種結構對應的插入損耗結果如圖8所示。類同軸電纜的垂直互聯(lián)結構的插損最低，GSG結構的插損次之，獨立的信號焊盤插損最大。在信號焊盤附近，增加接地焊盤，可以提供回流路徑，同時也便于阻抗控制。因此在實際制備中應盡量保證信號焊盤周圍有接地焊盤。

圖8 不同垂直互聯(lián)結構的插入損耗

焊盤的間距、接地焊盤分布等因素對于S波段射頻信號的傳輸性能的影響，從以上對三維SIP封裝中垂直互聯(lián)結構的電磁場仿真中可得出明確直觀的分析。從仿真結果可見，當焊盤直徑為0.6mm時，采用焊盤中心距離為0.8mm的類同軸電纜結構，可以獲得優(yōu)良的射頻信號傳輸性能。

4 結束語

從實現(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，對垂直互聯(lián)結構進行仿真和優(yōu)化，設計了一種低損耗低成本的垂直互聯(lián)方案。仿真結果顯示，采用類同軸電纜的垂直互聯(lián)結構，射頻信號傳輸性能和阻抗匹配均能滿足要求?？梢越鉀QHTCC基板高密度垂直互聯(lián)的問題，對于實現(xiàn)三維的SIP封裝，推進射頻前端的小型化、低成本化、高集成度化具有重要借鑒意義。