王晟

（中國電子科技集團公司第十三研究所，河北石家莊，050000）

0 引言

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的飛速發(fā)展，對通訊電子設(shè)備小型化和高集成度要求日益提高，微波、射頻電路的系統(tǒng)功能也日益復雜，這種要求下，對微波器件封裝中傳輸線的結(jié)構(gòu)要求更加精細、布局更加緊湊。隨著高溫共燒陶瓷（High Temperature Cofired Ceramics，以下簡稱HTCC）技術(shù)的不斷成熟，HTCC 封裝的多層布線結(jié)構(gòu)具有加工精度高、可靠性高等特點，基于HTCC 工藝的封裝產(chǎn)品在電子設(shè)備上廣泛應用。但傳輸線的變化導致在微波頻段內(nèi)損耗較大，目前應用在封裝內(nèi)的HTCC 互聯(lián)結(jié)構(gòu)在高頻時傳輸性能不理想。

本文采用HTCC 多層布線技術(shù)，使用介電常數(shù)9.0 的氧化鋁陶瓷作為基材，通過電磁場三維仿真，設(shè)計了微帶到帶狀線的垂直傳輸互聯(lián)結(jié)構(gòu)，并應用在HTCC 管殼封裝中，同時和PCB 聯(lián)合仿真，實際測試結(jié)果滿足符合設(shè)計要求。

1 微帶到帶狀線傳輸原理

根據(jù)微帶傳輸線的模型，微帶線傳輸?shù)闹饕Ｐ褪菧蔜EM 模。運用導波模型傳輸?shù)钠媾家?guī)則進行傳輸原理，該原理特性為偶模式不能對奇模式起激勵，奇模式不能對偶模式起激勵，奇偶形式的波不能互相傳遞，如果對信號進行傳輸，一定是同樣模式的波才可完成傳遞。而垂直的通孔以及周圍屏蔽的地孔形成同軸線結(jié)構(gòu)，同軸線及帶狀線其傳輸主要模型均是TEM波，根據(jù)TEM 波傳輸?shù)脑恚摯怪蓖仔纬深愅S線結(jié)構(gòu)，微帶線與下層間帶狀線可以進行信號傳播[1]。

2 垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計仿真

該垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計目的是射頻信號在多層陶瓷基材間傳輸，正面引腳焊盤與背面引腳焊盤之間的過渡段包含用于傳遞信號的內(nèi)層帶狀線、用于傳遞信號的側(cè)面垂直過渡半孔。內(nèi)層帶狀線一端連接正面引腳焊盤，另一端與側(cè)面垂直過渡半孔連接，側(cè)面垂直過渡半孔的另一端與背面引腳焊盤連接，并形成陶瓷基板外側(cè)向背面引腳焊盤延伸出的半圓形豁口。陶瓷基板中間的接地孔均勻分布在內(nèi)層帶狀線周圍，實現(xiàn)不同層的地平面連接，用來降低平行板之間寄生效應，較好的防止能量的輻射損失，還可以增加不同傳輸路之間的隔離度，帶狀線結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該接地孔與信號孔共同形成類同軸線結(jié)構(gòu)，改善從微帶線轉(zhuǎn)為帶狀線阻抗匹配問題[2～3]。

圖1 帶狀線結(jié)構(gòu)圖

信號傳輸路徑為：陶瓷基板正面引腳焊盤→內(nèi)層帶狀線→側(cè)面垂直過渡半孔→陶瓷基板背面引腳焊盤，整體互聯(lián)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。這樣的多處過渡會造成微波信號的不連續(xù)，要實現(xiàn)微波信號的頻率在DC～20GHz范圍內(nèi)匹配，保證信號在規(guī)定頻率范圍內(nèi)的完整傳輸，首先需要較完備的機理分析，還要通過電磁場仿真的調(diào)整對其進行阻抗匹配，通過優(yōu)化，確保阻抗的連續(xù)。

圖2 垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)圖

信號傳輸?shù)耐仔璋垂に囈?guī)范進行仿真設(shè)計，有可能會偏離50Ω 的阻抗，該垂直過渡結(jié)構(gòu)可能會存在阻抗的不連續(xù)，為了將最大的功率傳輸?shù)胶蠹壍纳漕l電路，必須使整體傳輸線與輸入信號源的阻抗相匹配，過渡結(jié)構(gòu)的輸出端也必須采取類似的匹配阻抗。

可以使用帶線模擬電抗元件進行這種阻抗的匹配。因此，可以用帶線模擬串聯(lián)或并聯(lián)電抗元件到電路中來實現(xiàn)阻抗變換。串聯(lián)元件可以讓阻抗沿著史密斯圓圖上的電阻圓轉(zhuǎn)動，并聯(lián)元件可以讓導納沿著電導圓轉(zhuǎn)動。理論上來說，通過帶線實現(xiàn)電抗元件的阻抗變換，任意阻抗都可以到史密斯圓圖上的預期阻抗匹配點。

按傳輸路徑，保持特征阻抗恒定，內(nèi)層帶狀線是以HTCC 陶瓷基板內(nèi)層印制線為導帶、以內(nèi)層印制線導帶上下兩層接地層為接地面的帶狀線。其特性阻抗為：

內(nèi)層帶狀線是以HTCC 陶瓷基板內(nèi)層印制線為導帶、以內(nèi)層印制線導帶上下兩層接地層為接地面的帶狀線，εr是內(nèi)層帶狀線介質(zhì)的相對介電常數(shù)，h為內(nèi)層帶狀線介質(zhì)厚度，ω為內(nèi)層印制線導帶寬度，t為內(nèi)層印制線導帶厚度。

同時為實現(xiàn)信號在廣域頻率范圍內(nèi)的穩(wěn)定傳輸，傳輸路徑上都要滿足阻抗匹配要求，特別是信號在水平傳輸線與垂直傳輸線的交界處。為緩解結(jié)構(gòu)突變引起的阻抗失配，通過仿真優(yōu)化陶瓷基板正面引腳焊盤、內(nèi)層帶狀線與陶瓷基板背面引腳焊盤的長度與寬度，減小水平引腳焊盤與垂直過渡半孔間的阻抗差異。

對該垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)采用電磁場仿真軟件進行仿真，經(jīng)仿真驗證，該結(jié)構(gòu)信號傳輸?shù)牟迦霌p耗和回波損耗如圖3 所示，在DC～20GHz 頻段內(nèi)插入損耗小于0.5dB，回波損耗大于15dB，信號傳輸過程中的能量損失較小，滿足設(shè)計指標要求。

圖3 垂直互聯(lián)電磁場仿真結(jié)果圖

3 垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)在HTCC 封裝中的應用

通過以上理論分析及仿真驗證，將該垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)應用于HTCC 管殼封裝中，選用介電常數(shù)9.0 的氧化鋁陶瓷材料，材料參數(shù)如表1 所示。

表1 HTCC氧化鋁材料

在電磁場仿真軟件中對應用該互聯(lián)結(jié)構(gòu)的管殼進行三維仿真。HTCC 陶瓷基板為三層階梯形狀，正面引腳焊盤位于第二層陶瓷階梯上，包含鍵合焊盤、鍵合焊盤與內(nèi)層帶狀線的過渡段，且為上窄下寬的“凸”字型構(gòu)件，正面引腳焊盤和背面引腳采用該垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)相連，完成微波射頻信號的傳輸，背面引腳焊盤為正方形構(gòu)件，且基板外側(cè)向背面引腳焊盤延伸出半圓形豁口。

通過仿真優(yōu)化，射頻傳輸焊盤與射頻地焊盤的距離會對射頻信號的傳輸特性形成損耗較大、阻抗失配等影響。所以將板間垂直互連等效為類同軸模式，第一層陶瓷階梯厚度為0.2mm，第二層陶瓷階梯厚度為0.2mm，第三層陶瓷階梯厚度為0.5mm。陶瓷基板正面引腳焊盤的鍵合焊盤為長度0.15mm、寬度0.2mm 的長方形構(gòu)件，鍵合焊盤與內(nèi)層帶狀線的過渡段為窄邊寬度0.15mm、寬邊寬度0.2mm 的梯形構(gòu)件。陶瓷基板背面引腳焊盤為長度0.3mm 的正方形構(gòu)件，且其半圓形豁口半徑為0.1mm，介質(zhì)相對介電常數(shù)9.0。側(cè)面接地垂直過渡半孔及用于傳遞信號的側(cè)面垂直過渡半孔孔徑均為0.2mm，側(cè)面接地垂直過渡板孔高度為0.8mm。

為結(jié)合實際應用，在管殼中放置直通帶線進行仿真，管殼下面為印刷電路板，是表貼封裝的載板，電路板走線采用共面波導，微波信號由外部共面波導傳輸通過該垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)傳輸?shù)角惑w中的鍵合指上，從而通過金絲鍵合連接器件及電路。管殼和PCB 相結(jié)合進行仿真，更貼近實際使用，仿真模型如圖4 所示，經(jīng)仿真后，仿真曲線如圖5 所示，射頻信號在封裝內(nèi)經(jīng)垂直互聯(lián)傳輸后，在DC～20GHz 頻段內(nèi)插入損耗小于0.3dB，回波損耗大于13dB，頻率特性滿足使用要求。

圖4 HTCC 封裝仿真模型

圖5 HTCC 封裝仿真曲線

4 垂直互聯(lián)管殼加工

基于上述設(shè)計與仿真，加工出該垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)的HTCC 管殼，高溫共燒陶瓷（High Temperature Co-fired Ceramics，HTCC）技術(shù)當前相對成熟，在汽車電子、移動通信、各種電子裝備等領(lǐng)域存在廣泛應用。其通過數(shù)量較多層陶瓷基片通過疊層壓制，陶瓷基片上可印制加工帶狀線、微帶線、共面波導線等微波集成傳輸線，層間通過過孔互聯(lián)傳輸，可以大幅提高封裝密度，且生產(chǎn)規(guī)模較大、非常適合批量生產(chǎn)。

HTCC陶瓷基板燒結(jié)溫度約為1400℃～1500℃，具有較高的化學穩(wěn)定性，較高的熱導率；較高的集成度，可進行高密度的布線；燒結(jié)過程穩(wěn)定，在燒結(jié)過程中使用鎢（W）、錳（Mn）和鉬（Mu）等金屬，但這類金屬導電性較差，需要在該金屬表面鍍鎳（Ni）、金（Au）以起到降低傳輸損耗、保護金屬層、使用時可焊接等作用。

高溫共燒陶瓷加工技術(shù)主要工藝包括：

（1）原材料的生產(chǎn)，主要是陶瓷粉與燒結(jié)助劑等的配比結(jié)合，添加有機溶劑或水基溶劑共同形成陶瓷漿料，接著使用流延工藝生產(chǎn)生瓷帶，經(jīng)過裁切形成尺寸均勻的陶瓷片。

（2）流延工藝，該工藝為陶瓷粉和非水基粘合劑按照相應比例結(jié)合形成均勻的陶瓷漿料，然后通過流延工藝形成致密均勻的生瓷帶。

（3）生瓷件生產(chǎn)環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)是多層共燒陶瓷生產(chǎn)的主要環(huán)節(jié)，首先按照設(shè)計的結(jié)構(gòu)方案對每層陶瓷基片沖孔，接著是在每層陶瓷基片上印刷圖形走線以及填充相應的過孔，每層陶瓷基片進行了印刷填孔工藝就可以把已加工的基片根據(jù)設(shè)計堆疊在一起，在固定好的壓力參數(shù)下層壓在一起，此時已形成生瓷階段的瓷件雛形。通過熱切工藝將瓷件陣列分割成單個瓷件，可以得到一個完整的生瓷件產(chǎn)品，經(jīng)過檢驗合格后就可以進行燒結(jié)，燒結(jié)后得到樣品需要進行檢驗檢測等工序，燒結(jié)好樣件經(jīng)過檢驗檢測后，送到下一步工序，進行鍍鎳和鍍金。合格的產(chǎn)品根據(jù)方案設(shè)計還需要添加引線、密封環(huán)、蓋板、球柵陣列、熱沉等其他的工序來形成一個密閉的三維陶瓷封裝結(jié)構(gòu)。

此種垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)應用的裝配工藝簡便，管殼陶瓷基板正面引腳焊盤采用金絲鍵合線與內(nèi)部射頻芯片通過鍵合進行連接，連接時采用GSG 結(jié)構(gòu)，保證信號屏蔽效果。陶瓷基板背面引腳焊盤與PCB 采用標準SMT 工藝流程進行裝配即可，裝配時選擇與仿真相同的PCB 材料及厚度，保證實測接近仿真結(jié)果。

5 實際測試

圖6 為實物照片，經(jīng)測試，實物在DC～20GHz 頻段內(nèi)插入損耗小于0.5dB，回波損耗大于15dB，能夠很好滿足工程需要。

圖6 實物照片

6 結(jié)論

本文通過理論分析和電磁場仿真，采用HTCC 多層布線技術(shù)，設(shè)計完成了微帶到帶狀線的垂直傳輸互聯(lián)結(jié)構(gòu)，并將該結(jié)構(gòu)應用在HTCC 管殼封裝中，同時和PCB 聯(lián)合仿真，對加工后的實物進行測試，該垂直傳輸互聯(lián)結(jié)構(gòu)封裝在DC～20GHz 頻段內(nèi)插入損耗小于0.5dB，回波損耗大于15dB，滿足符合設(shè)計要求和工程應用。