基于彈性互連的三維射頻前端模組的設(shè)計(jì)

提出了一種在模組底面同時(shí)設(shè)計(jì)彈性互連接口和芯片封裝腔的集成架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了芯片三維堆疊和電路面積的高效利用。重點(diǎn)介紹了三維模組的集成架構(gòu)、彈性互連結(jié)構(gòu)及裝配工藝、寬帶射頻垂直互連的設(shè)計(jì)和研究。通過(guò)4~18 GHz三維射頻前端模組的試制，驗(yàn)證了基于彈性互連三維集成架構(gòu)的技術(shù)可行性，該射頻前端模組具有高密度、高可靠、裝配工序簡(jiǎn)單靈活的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于超寬帶小型化射頻系統(tǒng)。

為適應(yīng)軍用電子裝備小型化、陣列化、綜合一體化的迫切需求，寬帶射頻集成與封裝正在向高密度、輕量化、標(biāo)準(zhǔn)化和可擴(kuò)展的方向發(fā)展。

通常采用三維堆疊技術(shù)以顯著提高系統(tǒng)的集成度，三維堆疊的實(shí)質(zhì)是把不同芯片與器件在空間上進(jìn)行垂直集成，減少芯片占用的面積，通過(guò)先進(jìn)工藝來(lái)縮短芯片間信號(hào)路徑，利用通孔互連來(lái)減少引線(xiàn)長(zhǎng)度。在利用三維堆疊提升集成密度后，其信號(hào)互連密度也越來(lái)越高，傳統(tǒng)連接器的互連方式無(wú)法適應(yīng)三維模組對(duì)外互連的新要求，需采用一些尺寸及間距更小的互連方法。

本文根據(jù)射頻系統(tǒng)高密度集成的需求，分別選用LTCC和毛紐扣作為集成的基板和三維模組的對(duì)外互連接口，開(kāi)展基于彈性互連的三維集成模組研究。通過(guò)研究集成架構(gòu)、寬帶射頻傳輸性能和裝配方式，采用在模組底面同時(shí)設(shè)置彈性互連接口和芯片封裝的集成方法來(lái)實(shí)現(xiàn)模組面積的高效利用，并設(shè)計(jì)了一款典型的4~18 GHz寬帶射頻前端模組進(jìn)行該三維集成方法的應(yīng)用驗(yàn)證。該基于彈性互連的三維模組集成方法具有高密度、高可靠、可擴(kuò)展及裝配工序簡(jiǎn)單靈活的特點(diǎn)，相比傳統(tǒng)集成方式的同類(lèi)產(chǎn)品功能密度顯著提升。

1 集成架構(gòu)

基板選擇方面，基于TSV（硅基板穿孔）的硅基堆疊是目前三維集成的熱點(diǎn)方向，但由于在寬帶高頻傳輸和氣密性方面存在技術(shù)難度，在軍用電子裝備領(lǐng)域的應(yīng)用尚未完全見(jiàn)底，而LTCC（低溫共燒陶瓷）基板具有高可靠、高頻傳輸和氣密性方面的優(yōu)勢(shì)，被大量用于高可靠電子設(shè)備的高密度集成與封裝。

互連結(jié)構(gòu)選擇方面，BGA（球柵陣列）由于具有互連密度極高、損耗低、布局靈活、互連一致性好的優(yōu)勢(shì)，是三維互連的優(yōu)選，但由于陶瓷與基于有機(jī)材料的射頻母板存在熱失配，較大尺寸模組在不通過(guò)二次加固措施下存在溫度沖擊失效的風(fēng)險(xiǎn)。而具有彈性的毛紐扣也是實(shí)現(xiàn)三維垂直互連的一種重要手段，其無(wú)焊接裝配方式易于重復(fù)拆卸和維護(hù)，在高低溫和振動(dòng)環(huán)境下也能夠保證連接的良好性，具有較高的可靠性，在航空航天和軍事等應(yīng)用領(lǐng)域有較多研究。

綜上，為了使三維集成模組達(dá)到高密度、高可靠、裝配簡(jiǎn)單的目標(biāo)，結(jié)合射頻模組通常對(duì)外互連接口不多的特點(diǎn)，本文采用了在LTCC基板雙面布置元器件來(lái)實(shí)現(xiàn)芯片堆疊，同時(shí)在底面的局部區(qū)域集中設(shè)置彈性互連接口的集成架構(gòu)，該架構(gòu)如圖1所示。

圖1 三維模組集成架構(gòu)示意圖

該三維集成模組主要包含芯片或元器件、LTCC基板、上圍框、上蓋板、下圍框、下蓋板、彈性互連及支撐體。其中，芯片是實(shí)現(xiàn)射頻模組對(duì)應(yīng)功能的基礎(chǔ)元件，通常采用裸芯片，這些芯片集成在LTCC基板上設(shè)計(jì)的對(duì)應(yīng)腔槽內(nèi)。上、下圍框均與LTCC焊接在一起形成芯片工作所需要的空氣腔結(jié)構(gòu)，并通過(guò)上、下蓋板實(shí)現(xiàn)對(duì)所有芯片的氣密性封裝。在LTCC的背面局部區(qū)域設(shè)計(jì)對(duì)外互連焊盤(pán)，通過(guò)彈性互連及支撐體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)整個(gè)模組多信號(hào)的對(duì)外互連。

本集成架構(gòu)利用LTCC基板的寬帶高頻、任意層互連及自氣密優(yōu)勢(shì)、彈性互連的高密度及工藝兼容性強(qiáng)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)器件集成密度有效提升，對(duì)外互連接口及氣密封裝的體積占用率降低，同時(shí)由于結(jié)構(gòu)及裝配工序簡(jiǎn)單，可免焊接無(wú)損拆裝，從而具備良好的可生產(chǎn)性和可維護(hù)性。

2 彈性互連及裝配

2.1 彈性互連結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

毛紐扣是提供彈性互連的核心部分，它是將金屬線(xiàn)（如Au/BeCu、Au/Mo、Au/W、Au/NiCr）根據(jù)形狀和高度模壓成形，如圖2所示。

圖2 毛紐扣實(shí)物圖

根據(jù)設(shè)計(jì)需要，毛紐扣可采用多種布局和結(jié)構(gòu)方式。多個(gè)低頻電信號(hào)連接一般采用陣列布局形式，而寬帶射頻信號(hào)則多采用類(lèi)同軸布局形式。在結(jié)構(gòu)上可用于PCB/LTCC板間互連、器件與PCB/LTCC互連、插頭/接口、夾層連接器，其堆疊結(jié)構(gòu)可以采用單個(gè)毛紐扣、毛紐扣/毛紐扣、毛紐扣/導(dǎo)體/毛紐扣、毛紐扣/硬帽、毛紐扣/焊點(diǎn)、硬帽/毛紐扣/硬帽、硬帽/毛紐扣/焊點(diǎn)多種組合形式。通常情況下為了保證連接可靠性，一般將毛紐扣與相應(yīng)的硬帽配同使用，其典型裝配形式如圖3所示。

圖3 毛紐扣/硬帽裝配形式

本文由于毛紐扣集成在三維模組產(chǎn)品中，為了保證產(chǎn)品的長(zhǎng)期可靠性，即采用硬帽對(duì)外的方式，在裝配過(guò)程中，先將硬帽塞進(jìn)支撐體孔中，再安裝毛紐扣，最后將整個(gè)包含毛紐扣、硬帽和支撐體的互連結(jié)構(gòu)裝入圍框中。

2.2 裝配及封裝方式設(shè)計(jì)

利用毛紐扣實(shí)現(xiàn)射頻和直流信號(hào)的垂直互連，要實(shí)現(xiàn)其最終性能，除了互連結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)方面因素外，還需考慮毛紐扣與上下基板之間、導(dǎo)體之間的精確對(duì)位和可靠壓緊，以及支撐介質(zhì)材料和金屬材料與基板材料間的熱匹配關(guān)系。

本文通過(guò)在圍框上設(shè)計(jì)定位銷(xiāo)并在對(duì)應(yīng)PCB母板上開(kāi)銷(xiāo)釘孔以保證對(duì)位精度，同時(shí)通過(guò)4顆均勻分布的螺釘實(shí)現(xiàn)整個(gè)三維模組至PCB母板的鎖緊。為避免毛紐扣過(guò)度壓縮導(dǎo)致形變，通過(guò)對(duì)支撐材料孔結(jié)構(gòu)尺寸以及上下基板間距的設(shè)計(jì)使毛紐扣處于約20%壓縮狀態(tài)。整個(gè)三維集成模組底面的裝配如圖4所示。

圖4 三維模組底面裝配示意圖

3 寬帶射頻垂直互連

在雙面布置器件及LTCC基板任意層互連的基礎(chǔ)上，芯片與基板的寬帶射頻傳輸通過(guò)基板開(kāi)腔和共地來(lái)保證，但由于存在雙面芯片的信號(hào)互連和外部射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)基板內(nèi)部與芯片互連，射頻信號(hào)的過(guò)渡需穿過(guò)整個(gè)基板到達(dá)表面進(jìn)行傳輸，因此需對(duì)其中的寬帶互連結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的匹配設(shè)計(jì)和仿真以解決傳輸過(guò)程中的寬帶失配問(wèn)題。

此外，由于毛紐扣的互連高度相比BGA偏高，應(yīng)用中會(huì)引入較強(qiáng)的電感效應(yīng)，需在兩側(cè)基板設(shè)計(jì)和優(yōu)化匹配結(jié)構(gòu)，使其寬帶傳輸頻率滿(mǎn)足18 GHz應(yīng)用需求，針對(duì)LTCC帶狀線(xiàn)通過(guò)毛紐扣至PCB母板的垂直互連結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模仿真?；贖FSS構(gòu)建的三維仿真模型如圖5所示，最終的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖5 仿真模型示意圖

圖6 仿真結(jié)果

可見(jiàn)單個(gè)互連結(jié)構(gòu)在18 GHz內(nèi)插損小于0.3 dB，駐波小于1.6，滿(mǎn)足本文寬帶射頻前端的應(yīng)用需求。

4 射頻前端模組設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

4.1 寬帶射頻前端鏈路

本文設(shè)計(jì)的射頻前端模組實(shí)現(xiàn)4~18 GHz放大預(yù)選濾波功能，含1位數(shù)控衰減，并配備寬帶均衡。射頻通道功能鏈路框圖如圖7所示。

圖7 射頻前端鏈路框圖

鏈路設(shè)計(jì)上通過(guò)第一級(jí)放大保證模組的噪聲，利用數(shù)控衰減實(shí)現(xiàn)一定的增益調(diào)整能力，通過(guò)開(kāi)關(guān)濾波器組將4~18 GHz信號(hào)分為4段進(jìn)行頻率選擇，并采用兩級(jí)濾波的方式提高帶外抑制能力，兩級(jí)濾波之前增加放大器以提升整個(gè)通道的增益。

4.2 三維集成模組實(shí)現(xiàn)

為充分驗(yàn)證本文提出的集成架構(gòu)，經(jīng)過(guò)三維集成及裝配方法、寬帶射頻互連結(jié)構(gòu)建模仿真及功能鏈路設(shè)計(jì)方面的研究，完成了基于彈性互連的三維射頻前端模組的試制，該模組如圖8所示，外形尺寸為25 mm×18 mm×8 mm（含安裝孔），質(zhì)量小于15 g。

圖8 三維集成模組樣件

利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和測(cè)試夾具對(duì)該模組進(jìn)行了實(shí)物測(cè)試，全頻段測(cè)試曲線(xiàn)如圖9所示。該射頻前端模組在4~18 GHz實(shí)現(xiàn)約25 dB的增益，同時(shí)對(duì)帶外信號(hào)實(shí)現(xiàn)50 dBc的抑制。相比傳統(tǒng)集成方式的同類(lèi)產(chǎn)品，該模組的功能密度顯著提升，相關(guān)成果也應(yīng)用于某微系統(tǒng)集成接收系統(tǒng)中，效果明顯。

圖9 三維集成模組實(shí)測(cè)曲線(xiàn)

5 結(jié)論

本文基于LTCC基板和毛紐扣彈性互連，提出一種在模組底面同時(shí)設(shè)置彈性互連接口和芯片封裝腔的集成架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)三維堆疊和電路面積的高效利用。通過(guò)4~18 GHz寬帶射頻前端模組的試制完成該集成方法及相關(guān)裝配工藝的應(yīng)用驗(yàn)證，該集成架構(gòu)和方法具有高密度、高可靠、可擴(kuò)展及裝配工序簡(jiǎn)單靈活的特點(diǎn)，在軍用電子裝備小型化應(yīng)用中有較高的工程推廣價(jià)值。

作者：盧子焱，張繼帆，董東，韓思揚(yáng)，彭文超

來(lái)源：電子工藝技術(shù)