三維系統級封裝中垂直互聯結構的設計

（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、超大規模集成電路技術、新型電子材料技術和封裝互聯技術的快速發展，現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。系統級封裝(SIP)技術在單一封裝內，可包含數字、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，在數字電路中己得到廣泛應用，極大地減小了系統所占的體積和重量[3-4]。而在微波領域，由于垂直互聯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T/R組件相比，將在體積和重量上具有明顯優勢，將為現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上下各層平面電路的垂直互聯。垂直互聯是指系統級封裝中各信號層、電源層、接地層之間的相互聯接。通過垂直互聯，可以大大減小系統體積，提高電氣性能。因此，三維垂直互聯技術是實現整個系統級封裝的關鍵技術之一。特別是在微波及射頻領域，研究垂直互聯結構的優化，對于提升SIP封裝的整體性能具有重要意義。

2 封裝結構

目前實現三維垂直互聯的主要方式有BGA焊球互聯、毛紐扣互聯等。采用BGA焊球互聯具有一致性好、集成密度高、互聯長度短等優勢，但其工藝復雜，且對溫度梯度有依賴[5-6]；毛紐扣互聯具有免焊接、易拆卸、便于維護的特點，但成本較高[7-8]。基于此，本設計提出了一種新的互聯結構，采用直接焊接的方式，實現基板的垂直互聯，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S波段收發通道的變頻功能，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。基板之間的互聯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通過焊接實現，具體的工藝為：在互聯處預置焊盤，在焊盤上涂覆焊膏，精準對位后，通過回流焊即可實現兩層之間的互聯。焊膏厚度約為0.2mm，因此，互聯結構可近似為以焊盤直徑為直徑、高度為0.2mm的金屬圓柱。與使用焊球互聯的方式相比，采用焊料焊接的優勢是工藝相對簡單，并且可以降低互聯長度，提高傳輸速率。

圖1 SIP結構示意圖

3 仿真結果

HFSS是由Ansoft公司開發的全波三維電磁仿真軟件，采用自適應網絡剖分技術和有限元法，仿真結果精確可靠。基于該軟件，構建了疊層互聯結構的模型，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，根據工藝要求，兩層基板互聯處的焊盤直徑為0.6mm，互聯結構可近似為直徑0.6mm、高度0.2mm的圓柱。

圖2 HFSS仿真模型示意圖

互聯結構可以以同軸電纜模型來近似，如圖3所示。根據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附近開始優化。選定d優化范圍為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，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，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基板的互聯結構的S參數。在S波段該互聯結構的插損低于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時垂直互聯結構的S參數

在實際工藝制備中，受空間限制，在互聯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，可以獲得優良的射頻信號傳輸性能。

4 結束語

從實現S波段的射頻三維SIP的需求出發，基于微波傳輸理論，利用HFSS仿真技術，對垂直互聯結構進行仿真和優化，設計了一種低損耗低成本的垂直互聯方案。仿真結果顯示，采用類同軸電纜的垂直互聯結構，射頻信號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的問題，對于實現三維的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。