球柵陣列垂直互聯(lián)傳輸性能分析與基板疊層設(shè)計

鄧國慶， 徐 正， 劉向宏， 王 松， 李帥召

(1.中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院， 北京 100094； 2.中國科學(xué)院大學(xué)電子電氣與通信工程學(xué)院， 北京 100049；3.空裝北四代表室， 北京 100041)

有源相控陣?yán)走_(dá)在國防軍事方面發(fā)揮著極大作用[1]。而T/R組件(transmitter and receiver module，T/R)是雷達(dá)關(guān)鍵部件，對有源相控陣?yán)走_(dá)的天線陣列起著幅度、相位的控制作用，其重量和成本甚至可以達(dá)到雷達(dá)整機(jī)的60%，因此，T/R組件對于雷達(dá)整機(jī)的成本和尺寸控制非常關(guān)鍵[2]。傳統(tǒng)磚塊式T/R組件采用二維多芯片組件技術(shù)(2-D multi-chip module，2D-MCM)[3]，在廣泛用于微波電路的低溫共燒陶瓷(low temperature co-fired ceramic, LTCC)基板表面或腔體內(nèi)粘貼元器件，在基板表面和內(nèi)部布線互連，并用殼體和蓋板實現(xiàn)氣密性封焊[4]。由于自身存在的限制，其組裝密度最大理論極限為85%[5]。隨著封裝技術(shù)的發(fā)展，組裝密度已接近理論極限，難以進(jìn)一步提高[6]。為進(jìn)一步實現(xiàn)小型化，采用的典型方式是將裸芯片或是封裝基板沿Z軸方向上垂直互聯(lián)，利用垂直方向上的空間提高組裝密度[7]；同時由于互聯(lián)線縮短，可以獲得更小的延遲和更好的高頻高速性能[8]。

國外針對T/R組件的微波垂直互聯(lián)和三維基板疊層研究較早[9]，并于2001年正式在第四代戰(zhàn)斗機(jī)F-22上應(yīng)用[4]，2018年將三維LTCC技術(shù)應(yīng)用于航天射頻模塊[10-11]。而中國目前也將基板垂直互聯(lián)作為熱點進(jìn)行研究，先后提出了瓦片式和疊層式三維組件等形式來實現(xiàn)小型化[12-14]，并對3D射頻封裝結(jié)構(gòu)的可靠性也進(jìn)行了研究[15]。但垂直互聯(lián)在微波頻段傳輸性能的惡化依然是三維疊層結(jié)構(gòu)的最大挑戰(zhàn)，結(jié)構(gòu)參數(shù)對于傳輸性能的影響還未得到充分研究。

針對當(dāng)前研究中存在的問題，提出一種球柵陣列(ball grid array,BGA)垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計，分析關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對垂直互聯(lián)高頻傳輸性能的影響，包括焊球半徑、焊球中心距、地層反焊盤開孔半徑、通孔-焊球處焊盤半徑、微帶線-通孔過渡焊盤半徑、帶狀線-通孔過渡焊盤半徑等。最后結(jié)合工程應(yīng)用，提出和設(shè)計了兩種新型的三維基板疊層無源結(jié)構(gòu)，可滿足不同的I/O方式應(yīng)用。

1 BGA垂直互聯(lián)設(shè)計

1.1 類同軸結(jié)構(gòu)設(shè)計

三維基板疊層的關(guān)鍵在于板間垂直互聯(lián)，使信號完成下層基板到上層基板的傳輸。考慮到傳輸微波信號，采用焊球的類同軸結(jié)構(gòu)，設(shè)置了如圖1所示的BGA垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)。

圖1 BGA垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)的下層基板采用帶狀線形式，上層基板采用微帶線形式，傳輸線末端以圓形焊盤過渡至基板內(nèi)的通孔金屬來實現(xiàn)基板內(nèi)部的垂直信號傳輸。通孔金屬與焊球連接實現(xiàn)基板間垂直互聯(lián)。

類同軸結(jié)構(gòu)尺寸可根據(jù)同軸線計算公式確定信號焊球與屏蔽焊球的中心距，即

(1)

式(1)中：Z0為特征阻抗；R為中心焊球與屏蔽焊球距離；r為焊球半徑；εr為介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

在該模型中，r=0.25 mm，空氣的εr接近于1，Z0=50 Ω。計算可得R=0.575 mm。而由于模型按同軸線模型來作了近似，該尺寸還需要在仿真中進(jìn)一步調(diào)節(jié)優(yōu)化。

1.2 垂直互聯(lián)等效電路及電場分布

LTCC的BGA垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)可以使用如圖2所示的RLC等效電路模型來分析，電感L表征了信號焊球在頻率升高時阻抗增大的特性，電阻R表征了傳輸結(jié)構(gòu)的功耗。考慮到垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)中的焊球和地層之間的寄生效應(yīng)，用電容C來指代；而由于微帶線、帶狀線和通孔過渡處也設(shè)置了焊盤，在等效電路模型中添加C1、C2表示傳輸線-通孔轉(zhuǎn)換處與地層之間的寄生效應(yīng)[4]。

圖2 等效電路模型

圖3所示為傳輸結(jié)構(gòu)的電場能量分布，端口分別設(shè)置在下層基板的帶狀線和上層基板的微帶線上，電場能量經(jīng)傳輸線到達(dá)垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)，類同軸結(jié)構(gòu)起電磁屏蔽作用，由底層基板傳輸?shù)缴蠈踊澹瑹o明顯能量損失。

圖3 電場能量分布

1.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對垂直互聯(lián)性能的影響

該BGA垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)有6個關(guān)鍵尺寸參數(shù)，分別是焊球半徑Rball、焊球中心距dviaball、地層反焊盤開孔半徑Rgnd、通孔-焊球處焊盤半徑Rpad、微帶線-通孔過渡焊盤半徑Rmlpad、帶狀線-通孔過渡焊盤半徑Rslpad。垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)的微波傳輸性能會受到結(jié)構(gòu)參數(shù)改變的影響，因此需要分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對微波傳輸性能的影響[16]。

1.3.1 焊球半徑

在仿真中設(shè)置焊球半徑為0.15～0.375 mm，以0.025 mm 步進(jìn)。由圖4所示仿真結(jié)果可知，半徑小于0.2 mm 時，對回波損耗S11影響不大；而半徑按0.2～0.375 mm遞增時，回波損耗性能有大幅度優(yōu)化，在8～10 GHz段優(yōu)化明顯。而采用的這一系列焊球尺寸，都可使得回波損耗優(yōu)于22 dB，性能良好。焊球半徑?jīng)Q定了板間垂直互聯(lián)高度，對等效電路模型中的電感L起影響作用，該尺寸的變化改變等效電感值，從而調(diào)整垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)的匹配情況。

圖4 不同Rball下的S參數(shù)曲線

焊球半徑從0.15 mm遞增至0.2 mm時，插入損耗S21變化很小；從0.2 mm逐漸增加至0.375 mm時，插損性能隨焊球尺寸增加也逐漸優(yōu)化。在該變化范圍內(nèi)，插入損耗均優(yōu)于0.14 dB。焊球大小除了影響板間垂直互聯(lián)高度外，也由于其類同軸結(jié)構(gòu)，在中心距固定時，周圍的焊球尺寸越大，則周圍相鄰屏蔽焊球之間距離越近，越趨向于同軸線形式，屏蔽作用越好，則微波傳輸性能越好。

1.3.2 焊球中心距dviaball

屏蔽焊球和信號焊球以類同軸的形式排布，焊球中心距數(shù)值影響著該傳輸結(jié)構(gòu)的特征阻抗，但由于該結(jié)構(gòu)中屏蔽焊球圍繞中心焊球分布，未形成閉合外導(dǎo)體，并不完全符合同軸線公式計算結(jié)果。圖5所示為中心距從0.9 mm以0.1 mm增加至1.3 mm的仿真結(jié)果，可直觀看出隨著中心距的增大，回波損耗性能逐漸變差，并且變化幅度很大。從Smith圓圖可查看在X波段的匹配情況，中心距過大會影響阻抗匹配，引起回波損耗變差。而中心距在0.9～1.2 mm的范圍內(nèi)時，回波損耗都優(yōu)于21 dB；同時也緩解了中心距設(shè)置過小使得焊球裝配難度大、對準(zhǔn)精度要求高的問題。

圖6所示的焊球中心距對于插入損耗的影響呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性：當(dāng)中心距從0.9 mm以0.1 mm的幅度步進(jìn)至1.3 mm時，插入損耗依次增大，信號能量損失越多。在該變化范圍內(nèi)，插入損耗均優(yōu)于0.16 dB。類同軸結(jié)構(gòu)的焊球排布起到了電磁屏蔽和防電磁輻射的作用，同時也連接了上下層基板的地層。當(dāng)焊球大小固定而焊球中心距增加時，圍繞信號焊球圓周分布的屏蔽焊球之間距離拉大，屏蔽作用減弱，此時會有較多的電磁能量損失，造成插入損耗的增加。

圖6 不同dviaball下的S21曲線

1.3.3 地層反焊盤開孔半徑Rgnd

地層設(shè)置于LTCC基板內(nèi)部，為實現(xiàn)基板內(nèi)部垂直過渡，在地層設(shè)置開孔(即地層反焊盤開孔)以便中心通孔金屬通過。圖7所示為地層反焊盤開孔半徑對散射參數(shù)(S參數(shù))的影響。

圖7 不同Rgnd下的S參數(shù)曲線

地層反焊盤開孔半徑以0.04 mm為步進(jìn)單位，從0.31～0.39 mm增加時，回波損耗性能變好；從0.39～0.55 mm增加時，性能變差。據(jù)此可知地層的反焊盤開孔應(yīng)限定于一定的閾值范圍。地層與信號通路間存在寄生電容效應(yīng)，寄生電容隨著地層和信號通孔距離的減小而增大，結(jié)合等效電路知電路的阻抗匹配情況會隨之受到影響，進(jìn)而影響回波損耗。由仿真結(jié)果可知，在0.39～0.51 mm的較大開孔半徑范圍內(nèi)，回波損耗均優(yōu)于21 dB；也增大了工藝窗口，一定程度上可減弱工藝誤差帶來的影響。

地層反焊盤開孔半徑從0.31～0.39 mm增加時，插入損耗略微變好；繼續(xù)增大至0.55 mm時，性能變差至0.16 dB。從仿真結(jié)果看，反焊盤半徑設(shè)置應(yīng)在一定范圍內(nèi)，較大的反焊盤半徑會使插入損耗有一定程度的惡化。

1.3.4 通孔-焊球處焊盤半徑Rpad

圖8所示為通孔-焊球處焊盤半徑對S參數(shù)的影響。該半徑以0.01 mm的幅度從0.16增加至0.2 mm，回波損耗逐漸優(yōu)化，且均優(yōu)于22 dB。通孔和焊球連接處的焊盤有兩個作用：一是從工藝角度，可在焊盤上刷涂焊膏，方便植球過程的進(jìn)行，同時BGA植球還有自對準(zhǔn)效應(yīng)，可消除微小焊球?qū)?zhǔn)誤差的影響[17]；二是通孔金屬柱和焊球的連接也是傳輸間斷點，存在微波信號不連續(xù)性，在此處會引起回波損耗和插入損耗的增加，而通過合理設(shè)置焊盤尺寸，可調(diào)節(jié)阻抗匹配，得到較好的微波傳輸性能。

圖8 不同Rpad下的S參數(shù)曲線

通孔-焊球處焊盤半徑從0.16增加到0.2 mm，插入損耗呈現(xiàn)優(yōu)化趨勢，但變化幅度不大，優(yōu)于0.14 dB。此處的焊盤半徑的大小調(diào)整主要是調(diào)整阻抗匹配，對于插入損耗的影響不大。

1.3.5 微帶線-通孔轉(zhuǎn)換焊盤半徑Rmlpad

在將信號從基板表面微帶線引入到基板內(nèi)部類同軸的通孔結(jié)構(gòu)中時，涉及到基板內(nèi)的垂直信號過渡。為減小由水平到垂直方向、由微帶線到類同軸通孔形式帶來的信號傳輸不連續(xù)性，在通孔金屬柱和微帶線轉(zhuǎn)換處設(shè)置圓形焊盤，調(diào)節(jié)該結(jié)構(gòu)使阻抗接近50 Ω的特征阻抗。在仿真模型中，微帶線-通孔轉(zhuǎn)換焊盤半徑范圍為0.18～0.22 mm，以0.01 mm來步進(jìn)增加，仿真結(jié)果如圖9所示。在該變化范圍內(nèi)，回波損耗都優(yōu)于22 dB。焊盤尺寸的增加，對回波損耗起到了一定的優(yōu)化作用。該范圍內(nèi)較大的焊盤尺寸，更有利于形成良好的微波信號傳輸。

圖9 不同Rmlpad下的S參數(shù)曲線

微帶線-通孔轉(zhuǎn)換處焊盤半徑從0.18 mm增加到0.22 mm，插入損耗變化很小,均小于0.14 dB。此處的焊盤半徑的大小調(diào)整主要是調(diào)整因水平到垂直方向、傳輸線到類同軸通孔結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的阻抗匹配情況，對于插入損耗的影響不大。

1.3.6 帶狀線-通孔轉(zhuǎn)換焊盤半徑Rslpad

信號在帶狀線和類同軸通孔結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)換時，依然是存在水平方向到垂直方向的轉(zhuǎn)換，與微帶線垂直轉(zhuǎn)換類似，在帶狀線與通孔金屬柱轉(zhuǎn)換處采用圓形焊盤進(jìn)行阻抗匹配，以改善微波傳輸性能。從圖10所示的仿真結(jié)果來看，帶狀線焊盤的影響作用在1.5 dB以內(nèi)；并且?guī)罹€焊盤尺寸在0.09～0.13 mm的較大范圍內(nèi)的回波損耗可優(yōu)于22 dB。

圖10 不同Rslpad下的S參數(shù)曲線

與其他兩種焊盤變化時的影響作用類似，插入損耗受焊盤大小變化的影響很小。在該尺寸范圍內(nèi)，仿真得到的插入損耗都優(yōu)于0.14 dB。

1.4 優(yōu)化后仿真結(jié)果

基于以上參數(shù)掃描分析，得到圖11所示的優(yōu)化后的仿真結(jié)果：在X波段內(nèi)，回波損耗優(yōu)于22.5 dB，插入損耗優(yōu)于0.13 dB，微波傳輸性能良好。

圖11 優(yōu)化后數(shù)仿真結(jié)果

至此，得到在X波段具有良好傳輸性能的BGA垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)。以下將利用該結(jié)構(gòu)進(jìn)行無源結(jié)構(gòu)全模型仿真。

2 無源基板疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計

基板疊層結(jié)構(gòu)要考慮板間高度和I/O端口問題。

首先是板間高度設(shè)計。基板疊層垂直互聯(lián)的目的是為了上下層基板都能夠進(jìn)行布線設(shè)計和元器件的安裝，實現(xiàn)Z方向的利用，最大限度地提高集成密度。此時下層基板就要預(yù)留出足夠的位置和高度來進(jìn)行下層基板的IC和電容等元器件的安裝。考慮到焊球直徑一般較小，僅依靠焊球高度支撐難以滿足元器件安裝的高度要求，因此結(jié)合LTCC基板的制造特性，在下層LTCC基板制造腔體結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步地增加元器件安裝區(qū)域的基板之間的高度差，保證基板疊層結(jié)構(gòu)滿足功能實現(xiàn)的要求。

而對于I/O端口，考慮到組件對于雷達(dá)系統(tǒng)前后端的兼容性，且對于LTCC基板疊層后需要進(jìn)行相應(yīng)的測試及設(shè)置相應(yīng)的測試端口，本文中設(shè)計了兩種水平方向信號和垂直方向信號兩種測試方案。

2.1 帶狀線-微帶線(SL-ML)作為I/O端口

結(jié)合LTCC基板的制作特點，可將下層基板邊緣設(shè)置為階梯形結(jié)構(gòu)。在基板邊緣可實現(xiàn)水平方向上帶狀線-微帶線(stripline-microstrip,SL-ML)轉(zhuǎn)換，這樣可將信號引到基板邊緣的微帶線，此時信號處于水平傳輸方向。然后可以金絲鍵合到高頻介質(zhì)板，從而可以使用玻珠連接器焊接方式來引出信號到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等測試儀器。帶狀線信號至上層基板的傳輸可采用前文分析得到的BGA垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)，將信號傳輸至上層基板上表面的微帶線。

根據(jù)該方式設(shè)置基板疊層結(jié)構(gòu)如圖12所示，該模型按照如下信號通路：微帶線-帶狀線-通孔過渡-焊球垂直互聯(lián)-通孔過渡-頂層基板表面微帶線，并采用左右對稱結(jié)構(gòu)。

圖12 SL-ML基板疊層結(jié)構(gòu)

文章已對垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行過分析和仿真，可將之前的結(jié)果應(yīng)用于完整模型的垂直互聯(lián)部分，并根據(jù)需要，設(shè)置微帶線和帶狀線的轉(zhuǎn)換、下層基板的腔體結(jié)構(gòu)(可為下層基板的元器件粘貼提供必要的空間)。經(jīng)仿真優(yōu)化，該完整無源結(jié)構(gòu)回波損耗優(yōu)于22 dB，插入損耗優(yōu)于0.55 dB，得到良好的微波傳輸性能。仿真結(jié)果如圖13所示。

圖13 SL-ML結(jié)構(gòu)的S參數(shù)曲線

2.2 表貼式SMP連接器作為I/O方式

采用表貼式SMP(subminiature push-on)作為I/O方式時，其基板疊層形式和SL-ML方式相同，最大的區(qū)別在于SL-ML方式是將端口設(shè)置在兩邊的水平方向微帶線上，而表貼式SMP方式是將信號通過底層基板的通孔金屬直接引到基板背面，此時信號處于垂直傳輸方向，再使用表貼式SMP連接器與測試設(shè)備相連。故無需進(jìn)行下層基板微帶線和帶狀線的設(shè)計，而需要設(shè)計SMP的粘貼位置和地層布置。

該模型按照如圖14所示信號通路：SMP連接器-通孔過渡-焊球垂直互聯(lián)-通孔過渡-頂層基板表面微帶線，并采用左右對稱結(jié)構(gòu)方式。

圖14 SMP基板疊層結(jié)構(gòu)

對該無源結(jié)構(gòu)，同樣可將BGA垂直互聯(lián)的分析和結(jié)論應(yīng)用于完整模型的垂直互聯(lián)部分，并設(shè)置SMP和下層基板的腔體結(jié)構(gòu)。經(jīng)仿真優(yōu)化，結(jié)果如圖15所示，該無源結(jié)構(gòu)回波損耗優(yōu)于18 dB，插入損耗優(yōu)于0.22 dB，得到良好的微波傳輸性能，滿足組件使用要求。

圖15 SMP結(jié)構(gòu)的S參數(shù)曲線

3 結(jié)論

提出一種BGA垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計，詳細(xì)分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對微波傳輸性能的影響，并針對不同場景給出了兩種I/O端口形式的三維基板疊層無源結(jié)構(gòu)設(shè)計。得出以下結(jié)論。

(1)焊球半徑、焊球中心距和反焊盤半徑對回波損耗影響很大，尤其是在較低頻段；而三類焊盤尺寸對于回波損耗影響較小。焊球中心距和反焊盤半徑對于插入損耗影響較大，焊球半徑影響次之，三類焊盤對于插損的影響作用很小。

(2)BGA垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果顯示，在X波段，回波損耗優(yōu)于22.5 dB，插入損耗優(yōu)于0.13 dB；同時各結(jié)構(gòu)參數(shù)在較大范圍內(nèi)依然能保持良好的微波傳輸性能，有很好的工藝兼容性。

(3)基于板間高度和I/O端口設(shè)計角度，提出了兩種形式的基板疊層設(shè)計。ML-SL形式回波損耗優(yōu)于22 dB，插入損耗優(yōu)于0.55 dB；表貼式SMP形式回波損耗優(yōu)于18 dB，插入損耗優(yōu)于0.22 dB。可根據(jù)端口形式和位置、對回波損耗和插入損耗的側(cè)重來選擇具體的方案。