基于高溫共燒陶瓷基板的三維互連技術(shù)

基于高溫共燒陶瓷技術(shù)的多層基板是實(shí)現(xiàn)組件小型化、輕量化、高可靠的有效手段。文中研究了基于HTCC 技術(shù)的多層基板三維立體互連結(jié)構(gòu)，包括基板內(nèi)垂直轉(zhuǎn)換及基板間立體互連。通過仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，文中所設(shè)計(jì)的多種結(jié)構(gòu)能夠有效地應(yīng)用于組件三維互連中。

隨著單片微波集成電路( Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC) 和組裝互連技術(shù)的快速發(fā)展，有源相控陣技術(shù)在軍用和民用電子裝備中得到越來越廣泛的應(yīng)用。先進(jìn)的相控陣天線需要大量重量輕、體積小、高可靠和低成本的微波組件，推動(dòng)微波電路技術(shù)向單片微波集成電路、多芯片模塊( Multi Chip Model，MCM) 和三維集成電路方向發(fā)展。

三維集成電路是在二維 MMCM 的基礎(chǔ)上，將傳統(tǒng)二維組裝和互連技術(shù)向三維發(fā)展而實(shí)現(xiàn)的三維立體結(jié)構(gòu)的微波電路。在三維微波組件的研制中，許多新材料、新封裝和新互連工藝得到了廣泛應(yīng)用。其中，基于高溫共燒陶瓷(HTCC)［1－4］技術(shù)的多層基板技術(shù)受到越來越多的關(guān)注。氮化鋁( AlN) 陶瓷作為一種典型的高溫共燒陶瓷，是一種新型的高導(dǎo)熱基板和封裝材料，具有高熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)、低介電常數(shù)和低介質(zhì)損耗、高機(jī)械強(qiáng)度等特點(diǎn)。AlN 多層基板加工流程與低溫共燒陶瓷(LTCC)［5－8］類似，由生瓷片經(jīng)過打孔、填充、印刷、層壓、切割、共燒和鍍涂等工藝加工而成。

相比于LTCC技術(shù)，HTCC技術(shù)如AlN具有更高的熱導(dǎo)率(AlN約為170 W/(m·K)，LTCC約為3 W/(m·K))和更高的機(jī)械強(qiáng)度，廣泛應(yīng)用于高功率電子領(lǐng)域。AlN多層陶瓷技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)電性能、熱性能和機(jī)械性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠滿足器件、模塊和組件的高功率、高密度、小型化和高可靠要求。

為設(shè)計(jì)高性能的微波組件，需對(duì)多層基板的各種轉(zhuǎn)換電路和互連進(jìn)行研究。本文研究了基于HTCC技術(shù)的多層基板內(nèi)部多種傳輸線結(jié)構(gòu)的垂直轉(zhuǎn)換電路及基板間立體互連電路。所有電路都是由三維電磁仿真軟件HFSS設(shè)計(jì)優(yōu)化完成，并將加工實(shí)物與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，提出的多種轉(zhuǎn)換電路在18 GHz范圍內(nèi)能滿足微波組件的應(yīng)用。

01

基板內(nèi)三維互連

因HTCC-AlN基板中內(nèi)層金屬為鎢，損耗較大，應(yīng)盡量減少垂直過孔穿層層數(shù)。研究中首先分析了共面波導(dǎo)－帶線、共面波導(dǎo)－共面波導(dǎo) 6 層垂直過渡的結(jié)構(gòu)形式。兩種過渡形式均由基板的一面通過過孔背穿到另一面，仿真模型、測(cè)試結(jié)果及實(shí)物如圖1～圖3所示。由圖2的測(cè)試結(jié)果可知，在2～18 GHz的范圍內(nèi)，這兩種垂直過渡形式插損基本＜1 dB，駐波＜1.8。

圖1 共面波導(dǎo)-微帶線、共面波導(dǎo)-共面波導(dǎo)垂直過渡電路仿真模型

圖2 共面波導(dǎo)-微帶線、共面波導(dǎo)-共面波導(dǎo)垂直過渡電路測(cè)試結(jié)果

圖3 共面波導(dǎo)-微帶線、共面波導(dǎo)-共面波導(dǎo)垂直過渡電路測(cè)試夾具

圖4 共面波導(dǎo)-帶線、微帶-帶線垂直過渡電路仿真模型

圖5 共面波導(dǎo)-帶線、微帶-帶線垂直過渡電路測(cè)試結(jié)果

圖6 共面波導(dǎo)-帶線、微帶-帶線垂直過渡電路測(cè)試夾具

在組件實(shí)際應(yīng)用中，考慮到電磁兼容問題，經(jīng)常會(huì)用到帶線這種傳輸線形式，而在互連端口為測(cè)試方便，常采用微帶或共面波導(dǎo)形式，這就涉及到微帶或共面波導(dǎo)到帶線的垂直過渡， 圖4～圖6給出了兩種過渡形式的仿真模型、測(cè)試結(jié)果及測(cè)試夾具實(shí)物圖。

為方便測(cè)試，帶線輸出端經(jīng)共面波導(dǎo)轉(zhuǎn)換輸出，其中共面波導(dǎo)、微帶為2層結(jié)構(gòu)，帶線為6層結(jié)構(gòu)，AlN基板共8層。測(cè)試中為驗(yàn)證夾具的影響，對(duì)比了探針臺(tái)測(cè)試和帶夾具測(cè)試的結(jié)果。由圖5可知，在2～18 GHz范圍內(nèi)，插損基本＜1.3 dB，駐波在14 GHz以內(nèi)＜1.5，18 GHz以內(nèi)＜2，夾具會(huì)引入0.3～0.5 dB插損，同時(shí)會(huì)惡化駐波。

仿真中，為匹配過孔穿層的影響，需對(duì)垂直過渡電路進(jìn)行優(yōu)化。

圖7 垂直過渡關(guān)鍵電路模型

圖7給出了垂直過渡電路的大致模型，當(dāng)過孔由上層過渡到下層時(shí)，會(huì)有一段附加的垂直傳輸線，該段傳輸線可以等效為電感，其值近似為［9］

式中，Δl為垂直連接線的長度; v為自由空間的波速; γ為歐拉常數(shù);w為微帶線寬度;εr為微帶線等效介電參數(shù)。這個(gè)電感與微帶線原有的電感串聯(lián)，導(dǎo)致在過渡段微帶線的總電感增加到

這樣如果不加補(bǔ)償，該過渡段微帶線的特性阻抗變?yōu)?/p>

而過渡段外微帶線的特性阻抗仍然是

這樣兩邊阻抗不同引起了反射.為此需要引入補(bǔ)償電容ΔC使得過渡段的特性阻抗仍然保持在Z0，即令

因此補(bǔ)償電容值應(yīng)為

在結(jié)構(gòu)上，在垂直通孔與傳輸線的連接處的圓盤狀導(dǎo)體提供了所需的補(bǔ)償電容，同時(shí)，圓盤狀導(dǎo)體的引入會(huì)改變傳輸線的阻抗，需引入額外的阻抗匹配枝節(jié)進(jìn)行匹配，從而減小垂直穿層的影響。仿真中主要優(yōu)化圓盤及過渡枝節(jié)的尺寸，從而得到最優(yōu)的過渡結(jié)構(gòu)。

02

基板間三維互連

除AlN基板內(nèi)部的垂直互連外，在實(shí)際組件應(yīng)用中，還會(huì)遇到基板間立體互連的情況。本研究通過仿真驗(yàn)證球狀柵列(BGA)［10］焊球?qū)崿F(xiàn)基板間三維立體互連的形式，提升三維設(shè)計(jì)能力。

圖8～圖10給出了兩塊AlN基板(均6層) 通過BGA立體互連的仿真模型、測(cè)試夾具及測(cè)試結(jié)果。下層AlN基板內(nèi)部帶線通過過孔過渡到基板表面，表面焊盤通過BGA焊球直接與上層 AlN基板底面焊盤相連。為方便實(shí)物測(cè)試，帶線輸出端口均通過共面波導(dǎo)過渡輸出。由圖可知，該過渡模型在14 GHz范圍內(nèi)，插損＜1 dB， 駐波＜1. 5。頻率增大時(shí)，駐波有所惡化，最大約為1.8。通過上述BGA過渡方式的研究，驗(yàn)證了BGA三維立體互連的可行性。

圖8 AlN基板帶狀線－BGA－帶狀線過渡仿真模型

圖9 AlN基板帶狀線－BGA－帶狀線過渡測(cè)試夾具

圖10 AlN基板帶狀線－BGA－帶狀線過渡測(cè)試結(jié)果

03

結(jié) 束 語

介紹了基于HTCC多層基板的三維互連技術(shù)，包括基板內(nèi)部垂直互連和基板間立體互連。通過對(duì)過渡結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析，利用三維電磁仿真軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到各種過渡形式的最佳結(jié)構(gòu)，并加工實(shí)物予以驗(yàn)證。 測(cè)試結(jié)果表明，在18 GHz范圍內(nèi)，所提出的各種過渡結(jié)構(gòu)插損基本＜1 dB，駐波＜ 1.5，均能很好地應(yīng)用于三維集成組件設(shè)計(jì)中。

審核編輯 ：李倩