季宏凱 王蘊玉 劉元昆 宋家錦

（中國電子科技集團公司第三十八研究所 安徽省合肥市 230031）

隨著現代電子技術的快速發展，電子裝備越來越小型化和高集成化，對封裝技術提出了越來越高的要求。而具有高集成特征的系統級封裝技術（SiP,System in Package）的快速發展正是促進微系統封裝技術變革和創新的主要驅動力。另一方面，隨著微系統技術發展的不斷深入，寬帶射頻信號的傳輸也同樣面臨小型化和高密度等挑戰，基于連接器和射頻電纜的方式已經難以滿足集成要求[2]。以TSV 為核心的三維微系統封裝技術已經被廣泛認為是未來微系統封裝的主導技術。與傳統的2D 封裝相比，基于TSV 轉接板的三維微系統封裝，大大縮短了走線長度，降低了信號的損耗。轉接板的布線寬度更小，布線密度更高，因此能滿足射頻電子裝備性能日益強勁的需求[3-4]。

基于TSV 硅轉接板的垂直互聯作為3D 集成封裝的關鍵技術之一，已經成為了學術界和工業界的一個熱點研究課題。本文設計了一種基于TSV 硅轉接板與BGA 的垂直互聯傳輸結構，通過模擬仿真驗證了基于TSV 轉接板的BGA 封裝在0.5-40GHz 的頻率范圍內具有良好的射頻傳輸性能，解決了三維集成中寬帶射頻低成本低垂直傳輸損耗的問題，同時實現了集成方便的特性，可廣泛應用在SIP 封裝的射頻功能單元和表貼式組裝中。

1 基于TSV轉接板的三維微系統封裝結構

在基于TSV 轉接板的三維微系統封裝結構中，轉接板承載多個芯片間的互聯，TSV 是位于硅轉接板中的垂直互連結構，芯片通過金絲鍵合或者微凸點（Bump）與轉接板上的RDL 連接，再通過TSV 和背面的BGA 連到PCB 封裝基板上，BGA 作為硅轉接板與PCB 基板間的射頻信號層間垂直互聯傳輸。

本文設計了一種基于TSV 轉接板的三維微系統封裝結構，如圖1所示，該結構用于傳輸0.5-40GHz 的寬帶射頻信號。圖1 描述了射頻信號的傳輸路徑，包括一個共面波導，TSV 準同軸，BGA焊球和PCB 中的帶狀線。PCB 中采用帶狀線是為了減小基板損耗，同時減小上下基板間的串擾。轉接板上采用共面波導是為了減小信號串擾。TSV 準同軸結構被認為是較優的射頻傳輸結構[5]。在射頻傳輸中，需要考慮阻抗匹配，因此BGA 被用作射頻傳輸時，也應該采用準同軸結構的BGA 焊球排布方式，即中間是信號傳輸點，周圍6 個焊球接地[6]。

圖1：基于TSV 轉接板的三維微系統封裝結構

圖2：基于TSV 轉接板的三維封裝的寬帶射頻傳輸模型及S 參數仿真

2 基于TSV轉接板的三維微系統封裝結構的垂直互聯傳輸模型

圖3：阻抗匹配優化

圖4：S11 隨BGA 半徑的變化

根據射頻特點，加工方便性，以及熱膨脹系數等要求，選用具有良好射頻性能的CLTE-XT 作為射頻PCB 基板。該基板的介電常數為2.94，損耗角正切為0.0012，熱膨脹系數為8。

根據上述設計思路，本研究使用HFSS 三維電磁場模型來仿真基于TSV 轉接板的三維封裝的寬帶射頻傳輸性能。如圖2（a）所示為基于TSV 轉接板的三維封裝的寬帶射頻傳輸模型。為了具有良好的射頻性能和機械強度，每層PCB 基板的厚度都為0.254mm。硅轉接板根據工藝條件[7]，設置其厚度為200um，TSV 通孔直徑為30 um。BGA 焊球選用直徑為0.5mm 的球形，并且上下切掉10%的高度用來模擬真實BGA 焊球回流焊后的形狀，焊球間距為1mm。

圖5：S11 隨rc 和r 變量變化的對應圖

0.5-40 GHz 頻段的仿真結果曲線如圖2（b）所示，S11 在0.5-25GHz 頻段內小于-15dB，在25-40GHz 頻段內的S11 性能惡化。S21 在0.5-40GHz 內小于1.8dB。在25-40Ghz 的毫米波頻段內，性能惡化主要原因是阻抗匹配沒有優化，導致在毫米波頻段，其反射較大。

為了優化其在毫米波頻段內的性能，保證0.5-40Ghz 的寬帶頻率范圍內都擁有良好的性能，對硅轉接板上共面波導到TSV 準同軸處的阻抗進行了匹配，如圖3（a）所示，加了一段阻抗匹配枝節。該阻抗匹配枝節的寬度為0.19mm，長度為1mm。

增加了阻抗匹配后的垂直互聯模型的S 參數仿真如圖3（b）所示，在25-40GHz 的頻段范圍內形成了諧振點，使得在25-35GHz頻段內S11 小于-20dB，S21 在0.5-40GHz 頻段內小于1.5dB?？梢钥闯觯黾恿俗杩蛊ヅ浜?，該垂直傳輸模型在高頻段性能得到提升，在低頻段如10-25GHz 范圍內，性能略有下降，其S11 小于-13dB。因此在使用該封裝模型時，應根據封裝的實際頻段來選擇是否需要增加阻抗匹配，如果更關注高頻（25-40Ghz）的性能，則需要增加阻抗匹配。

圖4 是基于TSV 轉接板的三維封裝的寬帶射頻傳輸模型隨BGA 半徑的變化的S 參數仿真圖。從圖中可以看出，隨著BGA 焊球半徑的增大，S11 頻率往低端偏移的同時，性能也會惡化。因此在設計時，需要選擇球徑變化小的BGA 球，同時在焊接過程中，應注意回流溫度，減小層間的高度裝配誤差，與廠家給出的BGA焊接后的半徑保持一致，以減小焊接誤差對性能的影響。

圖5 是對基于TSV 轉接板的三維封裝的寬帶射頻傳輸封裝結構在設計和加工過程中其他容易對性能造成影響的幾個因素進行的仿真分析。從圖5（a）可以看出，隨著轉接板上層的焊盤半徑rc的減小，S11 會往低頻段偏移，但S11 在rc 的變化過程中都保持了較好的曲線形狀。圖5（b）是S11 隨著PCB 層間通孔半徑r 的變化情況，可以看出，隨著r 的增大，S11 往低頻段偏移，且在半徑增大過程中，性能有惡化。因此，在該傳輸封裝結構的設計過程中，應該著重關注PCB 的層間通孔r 并進行適當微調，以便在后續的加工過程中，保證設計時的性能。

3 結束語

本文針對以TSV 和BGA 為核心的2.5D/3D 集成封裝技術，基于微波傳輸理論，利用HFSS 建模仿真，設計了一種基于TSV 轉接板的三維微系統封裝結構的寬帶垂直互聯傳輸結構，實現了0.5-40GHz 頻段內的低損耗垂直傳輸，通過仿真表明，該結構在0.5-40GHz 內插損小于1.5dB，能夠滿足寬帶微波SIP 系統中的射頻信號垂直過渡傳輸要求。同時分析了BGA 球半徑，TSV 轉接板焊盤半徑和PCB 層間通孔半徑對傳輸性能的影響，通過仿真表明，TSV 轉接板焊盤半徑對傳輸性能影響較小，在設計和加工時應著重關注BGA 球半徑和PCB 層間通孔半徑對傳輸性能的影響。