Ku波段功分放大3D-MCM設計*

趙昱萌，凡守濤，韓宇，王川

(北京遙感設備研究所，北京 100854)

0 引言

多芯片組件(multi-chip module,MCM)是微波產品的重要組成部分，其集成度的高低將直接影響到產品的小型化與輕量化[1-3]。當前，軍用領域絕大多數的MCM使用的還是傳統的二維多芯片組件(2D-MCM)形式，2D-MCM組裝方式由于受到二維平面上布局密度以及布線線寬的影響，其組裝密度已趨于理論最大值，很難進一步提高。為了實現更高的集成密度，多芯片組件需要進一步利用第三維空間，轉變為三維多芯片組件(3D-MCM)形式。3D-MCM以微波垂直互連工藝為基礎，是實現微波產品小型化的關鍵技術，代表了微波集成技術的前沿方向[4-12]。但是，3D-MCM對微波信號垂直傳輸的連續性、組件的裝配精度、垂直互連的可靠性等各個方面均有較高的要求，具有較大設計復雜度，需要開展大量的仿真設計工作。

1 3D-MCM仿真

3D-MCM的結構示意圖如圖1所示，最外層是金屬管殼，管殼內的上、下2層印制板上均放置芯片，2層印制板間通過金屬焊球相互連接，金屬球不僅具有印制板三維堆疊的功能，還可以起到隔離作用，防止信號泄露，使得芯片距離變小從而讓組件體積更小。

圖1 3D-MCM組件結構示意圖

球柵陣列封裝(ball grid array package,BGA)技術是應用在集成電路上的一種表面黏著技術[13]，在3D-MCM中可以利用BGA球形陣列作為上下基板的互連通路和物理支撐。采用BGA技術的主要優勢是封裝體積小，在實際的應用中可以非常簡便地操作[14-15]。但是，將BGA互連應用于基板之間微波信號的垂直互連還需要進行更加深入地研究。在本文的研究中主要是把印刷電路板(printed circuit board,PCB)作為上下層的基板，通過使用BGA技術實現基板之間的支撐以及板間的信號互連。在本文中，通過開展仿真優化設計，實現Ku波段微波信號的垂直互連，解決BGA技術在微波組件中的應用問題。

三維集成在實現小型化的同時，大大增加了設計復雜度，特別是對于Ku波段高頻信號的匹配傳輸。因此，在開展具體的3D-MCM設計前，需要進行大量的仿真、優化工作。仿真內容主要包括BGA管殼輸入/輸出端口與下層印制板上傳輸線的垂直互連以及下層印制板與上層印制板傳輸線的垂直互連。

1.1 BGA管殼輸入/輸出端口與下層印制板上傳輸線的垂直互連

1.1.1 仿真模型

BGA管殼與下層印制板間的垂直互連主要由陶瓷基板、下層印制板以及二者之間的互連金絲3部分組成，如圖2所示。其中，陶瓷基板上微波信號的垂直傳輸通過圓形焊盤、類同軸結構金屬化孔以及方形焊盤實現。為了解決金絲互連導致的阻抗失配問題，在下層印制板上還添加了T形匹配枝節。由于BGA焊球體積較大，對微波信號傳輸有一定影響，因此在仿真管殼端口時加入底部焊球及系統印制板。

圖2 BGA管殼輸入/輸出端口與下層印制板上傳輸線垂直互連的仿真模型

1.1.2 仿真結果

通過調節圓形焊盤大小、圓形焊盤隔離環直徑大小、類同軸結構金屬化孔中接地孔與中心高頻信號傳輸孔之間的間距、方形焊盤大小、方形焊盤隔離環大小、T型微帶匹配枝節大小以及金絲數量等，實現了微波信號垂直互連良好的匹配。根據工藝要求以及焊盤大小影響到傳輸孔間距，工藝標準最小孔距為0.2 mm，因此在優化孔距過程中從0.2 mm 開始仿真。微帶線受管殼上表面的高度與介質參數影響，通過ADS軟件可以計算出微帶線的大致寬度，搭建好模型后再微調微帶線寬度。經過綜合優化，最后優選的圓形焊盤直徑為0.45 mm，類同軸結構金屬化孔中接地孔與中心高頻信號傳輸孔之間的間距為0.9 mm，方形焊盤優選邊長0.4 mm，T型微帶匹配枝節長0.4 mm、寬0.1 mm。仿真結果如圖3所示，在整個Ku頻段內BGA管殼輸入/輸出端口與下層印制板上傳輸線垂直互連傳輸的回波損耗≤-15 dB，插損<0.1 dB。

圖3 BGA管殼輸入/輸出端口與下層印制板上傳輸線垂直互連傳輸的回波損耗與插損

1.2 下層印制板與上層印制板傳輸線垂直互連的仿真設計

1.2.1 仿真模型

下層印制板與上層印制板微波信號傳輸的垂直互連采用基板植球的方法，主要由下層印制板微帶線、金屬球、類同軸金屬化孔以及上層印制板微帶線組成，如圖4所示。其中，中心金屬球一端與下層印制板微帶線連接，另一端與上層印制板中的類同軸金屬化孔連接。

圖4 下層印制板與上層印制板傳輸線垂直互連的仿真

1.2.2 仿真結果

通過調節圓形焊盤隔離環直徑大小、類同軸結構金屬化孔中接地孔與中心高頻信號傳輸孔之間的間距、接地金屬球與傳輸信號金屬球之間的間距可以實現微波信號垂直互連的良好匹配。工藝要求影響到金屬球間距，工藝標準最小球距為0.6 mm，因此在優化球距過程中從0.6 mm開始仿真。下層印制板微帶線受層間高度與印制板介質參數影響，通過ADS軟件可以計算出微帶線的大致寬度，搭建好模型后再微調微帶線寬度。經過綜合優化，焊盤隔離環的直徑為0.3 mm，類同軸結構金屬化孔中接地孔與中心高頻信號傳輸孔之間的間距為0.7 mm，接地金屬球與傳輸信號金屬球之間的間距為0.6 mm，金屬球直徑為0.5 mm。仿真結果如圖5所示，在整個Ku頻段內下層印制板與上層印制板傳輸線垂直互連的回波損耗≤-15 dB，插損<0.2 dB。

圖5 下層印制板與上層印制板傳輸線的回波損耗與插損

2 Ku波段功分放大3D-MCM設計

Ku波段功分放大3D-MCM主要實現以下功能：輸出Ku頻段本振信號、Ku頻段發射機輸入激勵信號、信號模擬器基準信號以及自校信號，其具體功能包括放大、濾波、混頻、功率控制等。

2.1 電路原理

Ku波段功分放大3D-MCM的原理框圖如圖6所示。輸入射頻信號通過功分器分為4路，其中第1路直接輸出參考信號；第2路通過開關與功率控制器輸出自校信號；第3路通過開關、放大器、功率控制器輸出發射激勵信號；最后一路經過檢波器輸出檢波信號。

圖6 Ku波段功分放大3D-MCM模塊原理框圖

2.2 電路板設計

在原理框圖與仿真結果的基礎上進行具體的電路設計，包括元器件排布，空間信號隔離，射頻信號、控制信號、電源的走線、垂直互連等。Ku波段功分放大3D-MCM組件內部分為下層印制板與上層印制板，分別如圖7,8所示。

圖7 Ku功分放大3D-MCM下層印制板

圖8 Ku功分放大3D-MCM上層印制板

2.3 Ku波段功分放大組件實物測試

Ku波段功分放大3D-MCM實物照片如圖9所示，外形尺寸為21 mm×16 mm×4 mm。在原理樣機裝配完成后使用專用的測試夾具進行測量，Ku波段內輸出發射激勵信號功率與開關隔離度實測值如圖10所示。詳細測試結果與設計指標對比如表1 所示，結果滿足設計要求。

圖9 Ku波段功分放大3D-MCM實物

指標設計要求值實測值 輸出參考信號功率/dBm0～104.0～5.2 輸出自校信號功率/dBm0～54.5～5 輸出自校信號衰減態功率/dBm-25～-20-23.2～-21.6 輸出自校信號開關隔離度/dB≥35>40 輸出發射激勵信號功率/dBm10.5～14.510.7～11.0

圖10 輸出功率與開關隔離度的實測值折線

3 結束語

本文從實現微波三維集成模塊的實際應用出發，針對微波信號垂直互連傳輸匹配差、傳輸插損大等技術問題開展仿真優化設計，并根據仿真結果開展了Ku波段功分放大3D-MCM組件的設計、裝配以及測試工作。實測結果表明，3D-MCM組件在實現小型化設計的同時很好地滿足了設計指標要求，具有十分重要的意義。