王 軻，喬志壯，李明磊，周揚(yáng)帆，左漢平，王 燦

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，石家莊 050051）

微波器件的頻率決定分辨能力，帶寬決定信息處理容量，這些特性決定其在武器裝備中的核心地位。外殼作為器件和電路的主要載體，已不僅僅提供機(jī)械支撐、物理保護(hù)和簡(jiǎn)單的電互連功能，正逐漸成為器件和電路高頻信號(hào)傳輸實(shí)現(xiàn)、熱耗散管理和可靠性保障的關(guān)鍵組成部分，是器件和電路發(fā)揮性能的重要保障。沒(méi)有高性能、高可靠外殼的支撐，微波器件無(wú)法順利實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

QFN（方形扁平無(wú)引腳）封裝外殼因其內(nèi)部引線與焊盤(pán)之間的傳輸路徑短、寄生參數(shù)小、電阻小和體積小等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，目前大多數(shù)高頻GaAs放大器、混頻器、移相器和開(kāi)光等微波芯片的封裝均采用QFN形式，并廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、通信等領(lǐng)域。

目前國(guó)外廠家，如HITTITE、ADI等的高頻器件多采用塑封QFN形式，為了實(shí)現(xiàn)小型化、高集成化，節(jié)距多采用0.50 mm，頻率可達(dá)Ka頻段甚至更高。而相同節(jié)距的CQFN陶瓷外殼只能覆蓋X頻段，更高頻率的0.50 mm節(jié)距CQFN陶瓷外殼設(shè)計(jì)與制作鮮有報(bào)道。

本文通過(guò)改進(jìn)CQFN陶瓷外殼的傳輸結(jié)構(gòu)、優(yōu)化地孔排布方式等方法，研發(fā)了一款0.50 mm節(jié)距的陶瓷外殼，其應(yīng)用頻率可達(dá)Ka頻段。該外殼屬于表面貼裝的CQFN外殼，具有微波性能好、集成度高、可靠性高和使用方便的優(yōu)點(diǎn)，這種設(shè)計(jì)方法可以廣泛應(yīng)用于高頻封裝領(lǐng)域。

1 外殼設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)用戶芯片布局、射頻輸入輸出端口位置，確定芯片安裝區(qū)的尺寸和鍵合指排布，然后根據(jù)用戶使用方式，確定外形尺寸及互連關(guān)系，并在有限空間內(nèi)進(jìn)行布線設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)外殼內(nèi)外的電互連及可靠性保護(hù)功能[3]。

本文設(shè)計(jì)的CQFN陶瓷外殼材料采用Al2O3，外形尺寸為4.0 mm×4.0 mm×0.75 mm，共有8個(gè)功能管腳，其中3個(gè)射頻管腳、5個(gè)直流管腳，可實(shí)現(xiàn)放大器和混頻器的安裝。與國(guó)外塑封節(jié)距相同，均為0.50 mm，可實(shí)現(xiàn)PCB焊盤(pán)的原位替換。通過(guò)金錫熔封工藝實(shí)現(xiàn)氣密，保證可靠性[4]。外殼的三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 陶瓷外殼三維結(jié)構(gòu)圖

1.2 射頻傳輸設(shè)計(jì)

常見(jiàn)射頻傳輸線有微帶線和帶地共面波導(dǎo)線。相較微帶線，帶地共面波導(dǎo)線可有效抑制雜散模式傳輸，減少輻射損耗，減少干擾諧振及控制色散，因此在高頻領(lǐng)域多采用帶地共面波導(dǎo)線作為傳輸形式[3]。本產(chǎn)品應(yīng)用頻段可達(dá)Ka頻段，因此計(jì)劃采用此結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。

1.2.1 寬帶傳輸匹配設(shè)計(jì)

（1）垂直傳輸方式匹配性。微波信號(hào)垂直傳輸可通過(guò)陶瓷內(nèi)部實(shí)心孔或側(cè)面空心孔。側(cè)面空心孔能方便板級(jí)焊接對(duì)位，提高焊接強(qiáng)度、方便焊接質(zhì)量檢查，為常見(jiàn)設(shè)計(jì)。下面在節(jié)距0.50 mm分別仿真對(duì)比信號(hào)通過(guò)側(cè)面空心孔傳輸（無(wú)內(nèi)部實(shí)心孔）和內(nèi)部實(shí)心孔傳輸（有側(cè)面空心孔）這2種傳輸方式微波性能的差別，為簡(jiǎn)化仿真模型，縮短仿真時(shí)間，均進(jìn)行單端口仿真（圖2）。

圖2 不同傳輸方式仿真模型

從圖3看出，通過(guò)側(cè)面空心孔傳輸方案（無(wú)內(nèi)部實(shí)心孔）微波指標(biāo)明顯優(yōu)于實(shí)心孔傳輸方案（有側(cè)面空心孔）。主要原因?yàn)橥ㄟ^(guò)實(shí)心孔傳輸方案，側(cè)面空心孔的存在會(huì)導(dǎo)致其阻抗偏低，導(dǎo)致阻抗不一致，影響整體回波損耗。因此本產(chǎn)品的射頻垂直傳輸計(jì)劃采用側(cè)面空心孔，既能實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸，也能增強(qiáng)板級(jí)焊接強(qiáng)度。

圖3 不同傳輸方式仿真S參數(shù)對(duì)比

（2）空心孔直徑匹配性。通過(guò)上節(jié)研究決定采用空心孔傳輸，在Ka頻段，空心孔直徑為影響射頻指標(biāo)的關(guān)鍵因素，下面分別仿真對(duì)比直徑0.15、0.20、0.25和0.30 mm空心孔直徑的微波性能[5]（圖4—圖5）。

圖4 不同空心孔直徑的仿真S參數(shù)對(duì)比

圖5 不同空心孔直徑的仿真TDR對(duì)比

從圖4—圖5看出，在Ka頻段直徑0.15 mm和0.20 mm的空心孔微波性能差別不大，但隨著空心孔直徑的繼續(xù)變大，在Ka頻段回波損耗逐漸變差，插損逐漸變大，主要是因?yàn)榭招目鬃兇髮?dǎo)致空心孔處阻抗逐漸變低，整個(gè)通路阻抗一致性逐漸變差。由此看出小尺寸空心在低頻段會(huì)得到較好的阻抗匹配特性，較好的回波損耗。考慮到較小的空心孔帶來(lái)加工工藝難度上升，綜合仿真結(jié)果，本產(chǎn)品計(jì)劃采用直徑0.20 mm的側(cè)面空心孔來(lái)實(shí)現(xiàn)射頻的垂直傳輸。

1.2.2寬帶諧振抑制設(shè)計(jì)

（1）地孔間距。本產(chǎn)品射頻傳輸端口計(jì)劃采用共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)通過(guò)在射頻走線兩側(cè)排布大量地孔，將參考地互聯(lián)，于是地孔密集程度（即地孔間距）對(duì)實(shí)現(xiàn)高頻至關(guān)重要?？s小地孔間距可以抑制諧振，提高隔離度，但過(guò)度縮小地孔間距會(huì)增加工藝難度，提高工藝復(fù)雜性。因此首先研究地孔間距與頻率的關(guān)系，為簡(jiǎn)化模型，仿真采用一線寬與本產(chǎn)品相同的共面波導(dǎo)線（圖6）。

圖6 帶狀線結(jié)構(gòu)模型

在線寬0.24 mm，射頻線與兩側(cè)地距離0.14 mm，介質(zhì)厚度0.50 mm情況下，仿真不同地孔（陶瓷內(nèi)部實(shí)心孔）間距對(duì)帶狀線射頻性能的影響。

從圖7和表1看出隨著地孔間距的不斷縮小，應(yīng)用頻段逐漸變寬，相應(yīng)也會(huì)導(dǎo)致工藝難度提高。綜合工藝難度和頻率特性，以及仿真指標(biāo)的富裕量，決定本產(chǎn)品選擇地孔間距等于2倍孔直徑的方案。

圖7 不同地孔間距的共面波導(dǎo)線仿真結(jié)果

表1 不同地孔間距的共面波導(dǎo)線應(yīng)用頻段

（2）封口面接地方式。從上節(jié)看出，在高頻下密集接地至關(guān)重要，為實(shí)現(xiàn)Ka頻段的傳輸，地孔間距需要小于等于2倍孔徑，陶瓷內(nèi)部地孔可實(shí)現(xiàn)此要求，但若實(shí)心孔距離陶瓷側(cè)邊小于等于2倍孔徑的話，因燒結(jié)過(guò)程中陶瓷與孔金屬收縮率不一致，容易引起孔裂，于是可在側(cè)面設(shè)計(jì)空心孔，使封口面直連背面焊盤(pán)，此結(jié)構(gòu)可增強(qiáng)封口面的接地效果，圖8為封口面采用側(cè)面空心孔接地和采用陶瓷內(nèi)部實(shí)心孔的微波對(duì)比仿真。

圖8 封口面不同接地方式仿真模型

從圖9對(duì)比看出，無(wú)側(cè)面空心孔直連封口面結(jié)構(gòu)，而是采用內(nèi)部排布實(shí)心孔的方案在38 GHz處出現(xiàn)明顯諧振，導(dǎo)致插損急劇增大。而采用側(cè)面空心孔直連封口面結(jié)構(gòu)的仿真在50 GHz以內(nèi)無(wú)明顯諧振，滿足Ka頻段的要求。

圖9 封口面不同接地方式仿真S參數(shù)對(duì)比

1.2.3 整體電磁兼容設(shè)計(jì)

射頻傳輸用外殼布線密度高，走線復(fù)雜，陶瓷層數(shù)增加導(dǎo)致的層間厚度減小等因素，會(huì)引起電磁兼容問(wèn)題。涉及高頻的微波信號(hào)傳輸時(shí)就必須要考慮電磁兼容問(wèn)題，在所有的電磁兼容問(wèn)題中，因屏蔽效果差，高頻信號(hào)耦合到其他端口，從而導(dǎo)致能量損失是非常普遍的，值得引起足夠的重視。

避免信號(hào)耦合最好的辦法是增加屏蔽效果和增大相鄰傳輸線的間距。在實(shí)際布線中可以增大鋪地區(qū)域，從而減少信號(hào)耦合。

以本外殼為例，分別仿真不同鋪地效果同時(shí)也導(dǎo)致不同功能管腳數(shù)量，對(duì)整體射頻傳輸路徑進(jìn)行仿真分析（圖10）。

圖10 不同布局的外殼模型

從圖11—圖12看出，較多的功能管腳會(huì)壓縮有效鋪地面積，導(dǎo)致隔離度變差，高頻信號(hào)耦合至相鄰管腳，導(dǎo)致能量損失。

圖11 不同布局的外殼仿真S參數(shù)對(duì)比

圖12 不同布局的仿真電場(chǎng)對(duì)比

功能管腳少方案外殼雙端口板級(jí)仿真結(jié)果在40 GHz以內(nèi)回波損耗小于-15dB，插入損耗小于0.8 dB，雙端口仿真結(jié)果可滿足指標(biāo)要求。

2 外殼加工

本文中外殼通過(guò)HTCC高溫共燒陶瓷工藝加工而成，其中陶瓷材料為Al2O3，導(dǎo)體材料為金屬鎢。經(jīng)沖孔、填孔、印刷、層壓及熱切形成生瓷件，經(jīng)燒結(jié)形成熟瓷件，再經(jīng)過(guò)鍍鎳、鍍金形成成品。主要加工工藝流程如圖13所示。

圖13 主要加工流程圖

3 外殼微波性能測(cè)試

在外殼芯區(qū)安裝50 Ω直通微帶線，并通過(guò)金絲鍵合方式連接外殼的輸入輸出鍵合指。選用厚度0.338 mm的印制板，將鉛錫焊膏通過(guò)漏網(wǎng)印刷于印制板上，然后將外殼安裝在電路板上，置于回流爐中，使外殼與印制板焊接在一起，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。

利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，采用微波探針臺(tái)搭配探針和校準(zhǔn)件對(duì)外殼進(jìn)行雙端口微波性能測(cè)試[6-7]（圖14）。

圖14 本產(chǎn)品在板測(cè)試過(guò)程

從圖15看出，在10 GHz~40 GHz，外殼整個(gè)通路的S11小于等于-13 dB，S21大于等于-1.5 dB，帶內(nèi)無(wú)諧振點(diǎn)，滿足用戶使用要求。由此看出，該結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的微波傳輸特性。

圖15 本產(chǎn)品在板測(cè)試曲線

4 外殼可靠性驗(yàn)證

按GJB 1420B—2011《半導(dǎo)體集成電路外殼通用規(guī)范》的主要內(nèi)容對(duì)本外殼進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，試驗(yàn)方法和條件主要是參照GJB 548B—2005《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》執(zhí)行，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。所有試驗(yàn)均合格。

表2 外殼可靠性試驗(yàn)內(nèi)容和結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種可達(dá)Ka頻段的0.50 mm節(jié)距高頻CQFN陶瓷外殼。外殼射頻傳輸端口采用共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，垂直傳輸選用小尺寸側(cè)面空心孔技術(shù)，實(shí)測(cè)在DC~40 GHz頻段內(nèi)外殼整個(gè)板級(jí)傳輸路徑插入損耗在1.50 dB以內(nèi)，回波損耗在-13 dB以下。外殼外形尺寸4.0 mm×4.0 mm，節(jié)距與常見(jiàn)塑封QFN相同，均為0.50 mm，可實(shí)現(xiàn)塑封轉(zhuǎn)陶封的原位替換。同時(shí)依據(jù)GJB1420B—2011驗(yàn)證了外殼的可靠性，結(jié)果均合格。

因此該外殼具有高頻性能好、可靠性高、體積小及與塑封焊盤(pán)兼容的特點(diǎn)，適合批量化生產(chǎn)，可廣泛應(yīng)用于高頻陶瓷封裝領(lǐng)域。