三维系统级封装中垂直互联结构的设计

（中国电子科技集团公司第十四研究所，南京210039）

1 引言

随着通信技术、超大规模集成电路技术、新型电子材料技术和封装互联技术的快速发展，现代军用和民用电子装备正在向小型化、轻量化、高可靠、多功能和低成本方向发展。尤其机载、舰载、星载等电子装备以及电子对抗中的通讯、雷达和光电子设备，均需要大量的高性能、高可靠的微电子模块。系统级封装(SIP)技术在单一封装内，可包含数字、模拟、射频等多种功能[1-2]。三维SIP封装是采用三维方向结构形式对芯片进行立体构建的三维集成技术，在数字电路中己得到广泛应用，极大地减小了系统所占的体积和重量[3-4]。而在微波领域，由于垂直互联在微波频段的性能恶化剧烈，该技术目前尚未大批量使用。采用SIP技术的T/R组件与传统T/R组件相比，将在体积和重量上具有明显优势，将为现有的雷达装备带来重大的变革，对于T／R组件的小型化和整体性能水平的升级换代具有重大意义。

三维SIP封装的关键技术在于怎样实现上下各层平面电路的垂直互联。垂直互联是指系统级封装中各信号层、电源层、接地层之间的相互联接。通过垂直互联，可以大大减小系统体积，提高电气性能。因此，三维垂直互联技术是实现整个系统级封装的关键技术之一。特别是在微波及射频领域，研究垂直互联结构的优化，对于提升SIP封装的整体性能具有重要意义。

2 封装结构

目前实现三维垂直互联的主要方式有BGA焊球互联、毛纽扣互联等。采用BGA焊球互联具有一致性好、集成密度高、互联长度短等优势，但其工艺复杂，且对温度梯度有依赖[5-6]；毛纽扣互联具有免焊接、易拆卸、便于维护的特点，但成本较高[7-8]。基于此，本设计提出了一种新的互联结构，采用直接焊接的方式，实现基板的垂直互联，且集成度高，工艺也相对简单。

本设计的SIP封装结构如图1所示。它通过三维堆叠结构来实现S波段收发通道的变频功能，由两层HTCC基板堆叠而成，每层HTCC基板上通过wire bond和表贴等工艺集成了低噪放、功放、滤波器及电阻、电容、电感等元器件。基板之间的互联结构决定了上下层电路之间的电信号及射频信号的通信。两层基板之间的互联通过焊接实现，具体的工艺为：在互联处预置焊盘，在焊盘上涂覆焊膏，精准对位后，通过回流焊即可实现两层之间的互联。焊膏厚度约为0.2mm，因此，互联结构可近似为以焊盘直径为直径、高度为0.2mm的金属圆柱。与使用焊球互联的方式相比，采用焊料焊接的优势是工艺相对简单，并且可以降低互联长度，提高传输速率。

图1 SIP结构示意图

3 仿真结果

HFSS是由Ansoft公司开发的全波三维电磁仿真软件，采用自适应网络剖分技术和有限元法，仿真结果精确可靠。基于该软件，构建了叠层互联结构的模型，如图2所示。该模型模拟了信号从上层HTCC基板通过互联结构传递到下层HTCC基板上的过程，其中虚线标识的部分为两层基板间的互联结构，如图2右上角放大图所示。为了保证信号的完整性并提供信号屏蔽，上下两层HTCC基板之间的互联采用类似同轴电缆的结构，并在信号焊盘周围，分布多个接地的焊盘。为降低定位难度，焊盘的尺寸不宜过小，根据工艺要求，两层基板互联处的焊盘直径为0.6mm，互联结构可近似为直径0.6mm、高度0.2mm的圆柱。

图2 HFSS仿真模型示意图

互联结构可以以同轴电缆模型来近似，如图3所示。根据同轴电缆的特征阻抗公式

可计算当特征阻抗为50Ω时，同轴电缆的相关尺寸。在本设计中，介电常数εr=1，中心线半径a为焊盘半径0.3mm，当特征阻抗Zo为50Ω时，可推算出屏蔽半径b约为0.68mm，相应的信号焊盘到地焊盘的间距则为d=b+a=0.98mm。

图3 同轴电缆近似模型

基于同轴电缆模型的计算结果，对于d在0.98mm附近开始优化。选定d优化范围为0.7～1.3mm时，仿真得到的插入损耗结果如图4所示。从图中可以看出，在5GHz以内，总体变化趋势是随着间距d的增大，插损变大；当间距d为0.7mm和0.8m时，插损相对较低，低于0.1dB，而且在5GHz以内的插损曲线平坦，起伏较低；当间距大于1.0mm后，插损随着频率增大而增加，在3.5GHz附近，插损约为0.25dB。

图4 插损随焊盘间距d变化的仿真结果

图5(a)和(b)是不同间距下的输入及输出驻波比。由图5可见，在5GHz的频率内，驻波比均低于1.25，端口匹配良好。其中当d=0.7或0.8mm时，驻波比小于1.05，性能最佳。结合插损的结果，可以认为当信号焊盘和相邻接地焊盘的圆心间距为0.7mm或0.8mm时，信号传输性能最佳。

图5 端口驻波比随焊盘间距d变化的仿真结果

焊盘间的间距越小，越有利于提高集成度，但随着焊盘间间距的减小，工艺实现难度将会大增，也增加了相邻焊盘的短路风险。当d=0.8mm时，接地焊盘与信号焊盘的边缘距离为0.2mm；当d=0.7mm时，接地焊盘与信号焊盘边缘距离为0.1mm。鉴于二者电性能上差异不大，为降低工艺难度，选择d=0.8mm。图6是d=0.8mm时，连接上下两层HTCC基板的互联结构的S参数。在S波段该互联结构的插损低于0.01dB，回波损耗高于30dB，具有良好的信号传输能力。

图6 焊盘圆心距离d为0.8时垂直互联结构的S参数

在实际工艺制备中，受空间限制，在互联的信号焊盘周围可能没有空间来布设一圈接地焊盘。为了研究接地焊盘的分布对信号的影响，选取三种典型结构进行分析，分别是独立的信号焊盘、有两个接地焊盘的GSG结构及类同轴电缆结构，其对比示意图如图7所示。

图7 三种垂直互联结构对比示意图

这三种结构对应的插入损耗结果如图8所示。类同轴电缆的垂直互联结构的插损最低，GSG结构的插损次之，独立的信号焊盘插损最大。在信号焊盘附近，增加接地焊盘，可以提供回流路径，同时也便于阻抗控制。因此在实际制备中应尽量保证信号焊盘周围有接地焊盘。

图8 不同垂直互联结构的插入损耗

焊盘的间距、接地焊盘分布等因素对于S波段射频信号的传输性能的影响，从以上对三维SIP封装中垂直互联结构的电磁场仿真中可得出明确直观的分析。从仿真结果可见，当焊盘直径为0.6mm时，采用焊盘中心距离为0.8mm的类同轴电缆结构，可以获得优良的射频信号传输性能。

4 结束语

从实现S波段的射频三维SIP的需求出发，基于微波传输理论，利用HFSS仿真技术，对垂直互联结构进行仿真和优化，设计了一种低损耗低成本的垂直互联方案。仿真结果显示，采用类同轴电缆的垂直互联结构，射频信号传输性能和阻抗匹配均能满足要求。可以解决HTCC基板高密度垂直互联的问题，对于实现三维的SIP封装，推进射频前端的小型化、低成本化、高集成度化具有重要借鉴意义。