宽带高集成多级射频互连技术

傅显惠，刘德喜，祝大龙，赵红霞

（北京遥测技术研究所 北京 100094）

引 言

随着微波技术发展以及民用电子设备对小型轻量化、高集成、频带宽和低成本的需求，微波电路的组装互连技术发展过程经历从分立电路、混合集成电路，到单片集成电路、多芯片模块，再到三维微波多芯片组件技术[1,2]。三维微波组件技术是将芯片和微型化元件高密度组装在微波多层板上，再通过微波互连技术，使其在垂直方向与水平方向上将不同功能的模块叠层互连，实现三维互连结构。本文针对三维立体组装中的难题——宽带多级射频互连技术进行仿真设计，该设计突破单一结构，大幅度提高组装密度，使射频传输具有良好性能，对于实现设备集成化、轻量化具有重要意义[3,4]。

1 三维集成微系统结构设计

多层电路设计中，信号需要在不同传输线之间进行传输，包括同层与不同层。同时由平面结构向立体结构转变，会造成信号产生额外的插入损耗和反射损耗，导致信号传输的不完整，因此，对多级射频互连技术进行仿真设计尤为重要。三维集成微系统结构如图1 所示，壳体内包含两块基板，上层基板与下层基板通过球栅阵列封装BGA（Ball Grid Array）方式连接。本文主要仿真设计多级水平互连以及多级垂直互连两种多级射频互连方式，如图1 中的红色虚线所示。

图1 三维集成微系统结构Fig.1 Three dimensional integrated microsystem structure

结构设计中的基板选择高温共烧陶瓷HTCC（High Temperature Co-fired Ceramics），其中最常用的基材类型是氧化铝。氧化铝具有高热导率以及高化学稳定性，其热膨胀系数小[5]，以氧化铝为介质基板，设计更加灵活，具有较好的机械强度，表1 为氧化铝的材料参数。

表1 氧化铝材料参数Table 1 The material parameters of alumina

2 多级水平互连仿真设计

多级水平互连电路模型如图2 所示。射频信号首先从同轴输入并且通过同轴-微带线的水平过渡；再通过金丝键合与微带线连接，射频信号从5880 基板传输至HTCC 基板，实现了不同基板间的水平互连；然后，经过微带线-带状线的水平过渡；最后，利用倒角过渡，使射频信号从侧面输出。本节首先仿真设计了同轴-微带线的水平过渡以及倒角过渡等电路结构，然后对整体的多级水平互连模型进行仿真优化。

图2 多级水平互连电路模型Fig.2 Circuit model of multilevel horizontal interconnection

2.1 同轴-微带线水平过渡优化仿真

在设计结构时，通常采用接插件与外界传输信号，其外径为2mm，内径为0.3mm，建立的水平过渡模型如图3 中的左图所示，同轴与微带线直接相连。仿真结果如图3 中右图所示，在DC～30GHz 内，回波损耗优于17dB，插入损耗优于0.2dB。在高频时性能不是很理想，是由于同轴线中传输的场为TEM模式，而微带线中传输的场为准TEM 模式，两种不同模式传输线相连会产生模式失配，激励出较多的高次模[6]，因此需要进行优化设计。

图3 同轴-微带线水平过渡Fig.3 Horizontal transition of coaxial-microstrip

如图4 所示，建立优化的同轴-微带线的水平过渡模型，在同轴线和微带线之间增加空气腔，利用腔体的阶梯变换实现同轴-微带线过渡的良好性能，通过优化空气腔的内径r1 以及厚度s1，最终得到当r1=0.5mm、s1=0.3mm 时，性能最佳。其仿真结果如右图所示，在DC～30GHz 内，回波损耗优于31dB，插入损耗小于0.1dB。与无空气腔互连结构相比较，回波损耗改善了14dB，插入损耗改善了0.1dB。

图4 优化后同轴-微带线水平过渡Fig.4 Optimized horizontal transition of coaxial-microstrip

2.2 倒角过渡优化设计

在图2 所示的多级水平互连电路中，利用倒角过渡，使射频信号从侧面输出。拐角导致不连续性的出现，而不连续性会在电路中形成电抗，引起寄生耦合，通常采用倒角过渡的方式补偿其不连续性。由于倒角的形状与大小会影响射频传输性能，因此，仿真分析了四种不同形状的倒角，其模型与仿真结果如图5 所示。

如图5 所示，建立了四种倒角模型，倒角形状分别为直角、圆角、45°外斜角以及45°内外斜角，右侧为四种倒角模型的仿真结果。如图5 中右图所示，在高频部分，直角过渡模型的回波损耗性能最差，然后是圆角过渡，45°内外斜角过渡与45°外斜角过渡性能相当；伴随频率增加，45°外斜角性能更优异，仿真结果在DC～30GHz 内回波损耗均优于20dB。因此，最终采用45°外斜角的倒角过渡方式进行设计。

图5 四种倒角模型及仿真结果Fig.5 Four corner cutting models and simulation results

2.3 多级水平互连仿真结果

在上文优化后的基础上，通过优化金丝键合的金丝直径、金丝数量以及倒角尺寸，获得最佳传输性能。最终结果采用两根金丝，当金丝直径为0.025mm，倒角尺寸l为0.28mm（采用上文所述的45°外斜角过渡）时，性能最佳，多级水平互连的仿真结果如图6 所示。仿真后得到，在DC～30GHz 内，回波损耗优于21dB，插入损耗优于0.16dB，信号传输性能良好。

图6 多级水平互连电路仿真结果Fig.6 Simulation results of multilevel horizontal interconnection

3 多级垂直互连仿真设计

在三维集成结构设计中，不同功能的元器件在Z 轴方向上堆叠，因此，多级垂直互连的设计尤为重要[7]。建立的多级垂直互连电路仿真模型如图7 所示。该设计包括板间垂直互连与板内垂直互连两种电路结构，信号从上层微带线输入，经过阻抗匹配后，通过BGA 板间垂直互连电路结构将信号从微带线板间过渡至带状线；再利用板内垂直互连电路结构将信号从中间层带状线传输至底层的带状线，整个电路结构包括12 层HTCC 基板。本节首先仿真了BGA 板间互连设计，然后通过优化最终得到仿真结果。

3.1 BGA 板间互连优化设计

建立BGA 板间互连的模型，如图8 所示。上层微带线传输的射频信号通过BGA 板间互连传递至底层的带状线中，这种方式可广泛应用到三维电路的集成设计中，提高信号传输的可靠性。通过优化BGA 焊球半径r，以及信号焊盘与接地焊盘的距离d，使性能达到最优。BGA 球的高度h=0.2mm，球的半径r与同轴外半径R满足类同轴公式，如式（1）所示[8]。

图7 多级垂直互连电路仿真模型Fig.7 Simulation model of multilevel vertical interconnection

采用h=0.2mm、r=0.13mm 的BGA 仿真模型，d=r+R，仿真优化信号焊盘与接地焊盘的距离d=0.7mm～0.8mm，步进为0.05mm，得到如图9 所示的仿真结果。结果显示：在DC～30GHz 内，伴随信号焊盘与接地焊盘距离d的增加，性能会有所下降，当d=0.7mm 时，信号的插入损耗最小，性能最佳。

图9 BGA 板间互连仿真结果Fig.9 Simulation results of BGA interplate interconnection

3.2 多级垂直互连仿真结果

以前文所述BGA 板间互连设计为基础，通过优化过孔焊盘内径以及带状线两侧接地孔的距离，最终得到如图10 所示的多级垂直互连电路仿真结果。在DC～30GHz 内，回波损耗优于13dB，插入损耗优于0.57dB，信号传输性能良好。

图10 多级垂直互连电路仿真结果Fig.10 Simulation results of multilevel vertical interconnection

4 结束语

本文对三维立体组装中的关键技术——宽带多级射频互连结构进行优化仿真设计，以HTCC 为介质基板，设计了两种多级互连电路结构。在多级水平互连电路中，通过优化同轴-微带线的水平过渡以及倒角过渡，得到在DC～30GHz 内信号的回波损耗优于21dB，插入损耗优于0.16dB；多级垂直互连电路中，通过优化BGA 板间互连结构，得到在DC～30GHz 内信号的插入损耗优于13dB，插入损耗优于0.57dB。本文所设计的两种电路结构工作频率可达到30GHz，频带宽，可以广泛应用在三维堆叠结构设计中，对设备实现小型化、集成化、轻量化有重大意义。

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