毫米波CQFN 外壳地孔设计与优化

周 昊，颜汇锃，施梦侨，程 凯

（中国电子科技集团公司第五十五研究所，江苏 南京 210016）

0 引言

在器件技术的推动下，单片微波集成电路（MMIC）向着毫米波和多功能应用领域发展[1-2]。封装外壳作为连接芯片与外部电路的唯一桥梁，其不仅承担了机械支撑的外部保护作用，还是信号传输的重要通道。适用于微波电路封装的陶瓷外壳逐渐向高频率、高功率、高集成和高可靠的方向发展。利用高温共烧技术制备的四侧无引线扁平陶瓷（Ceramic Quard Flat No-lead，CQFN）外壳具备结构强度高、耐恶劣环境以及在测试、安装过程中不存在引脚受外界应力而产生形变等优点，可以保证集成电路封装的可靠性，以满足长期储存、高可靠等要求比较高的环境中使用。与SOIC、TSOP、QFP 和TQFP 等封装形式相比，CQFN 型外壳在封装面积、封装高度、封装重量和寄生效应等方面均有优异特性[3-4]。因此，CQFN 外壳逐渐成为MMIC 的主要封装形式。

与一般集成电路封装需求相比，适用于微波电路的CQFN 型外壳在设计和加工制造方面难度更大。在微波设计方面，中国电科55 所陆续报道了多款覆盖C 波段、X 波段和Ku 波段的陶瓷外壳[5-8]。在制造工艺方面，通过结构设计和关键工艺技术的突破，重点解决了小节距陶瓷外壳产品的冲孔、注浆、细线条金属化印刷问题，CQFN 型外壳的节距可覆盖至0.50 mm[9-10]。

由于CQFN 型外壳的封装尺寸小，增加了高频微波传输设计的难度。本文介绍了一款基于HTCC 技术的CQFN 型外壳，重点对陶瓷外壳微波传输通道的屏蔽地孔进行了设计与优化，其使用频率覆盖至40 GHz，可为同类型产品设计提供借鉴意义。

1 CQFN 型外壳结构

本文设计的CQFN 型陶瓷外壳尺寸为7 mm×7 mm×1.2 mm，其包含金属封接框、金属热沉、陶瓷框和陶瓷盖板。封接框材料为可伐合金、热沉材料为铜-钼铜-铜（1：4：1）合金，陶瓷框和盖板均采用中国电科55 所自行研制的AW01 陶瓷材料，氧化铝占比约为 92%，介电常数为9.2±0.2，介质损耗角正切为0.001。外壳结构示意如图1 所示。

图1 CQFN 型外壳结构示意图

根据工程经验，X 波段及其以上频率的微波外壳的表层传输线设计多采用共面波导结构。该结构不仅可以实现更小的辐射损耗，同时也方便探针实现无损测试。为了实现在0.1 GHz～40 GHz 的全频带毫米波信号的低损耗传输，本文的CQFN 外壳表层和底层传输线均采用了共面波导结构。

陶瓷基板内层垂直传输线借鉴同轴传输线的设计思路，在垂直信号线四周加工环绕通孔，利用多个垂直过孔结构形成贯穿于陶瓷的密级通孔栅结构。一方面，该结构可以有效抑制高频信号在相邻传输线之间的耦合及串扰，改善高频传输线本身的传输性能；另一方面，该结构可以有效屏蔽电磁能量的泄露，减小寄生效应和谐振，提高传输通道的传输性能。考虑到地孔位置、地孔与传输线的距离、地孔与地孔间距等参数均对高频信号在陶瓷基板内部传输具有重要影响，因此毫米波陶瓷外壳研制需要充分考虑地孔的设计与优化，以改善外壳微波传输性能。

2 地孔设计与优化

根据阻抗匹配理论对表层的传输线进行了初步计算，提取了陶瓷基板的关键参数，利用HFSS 仿真软件建立计算模型，如图2 所示。外壳的三维传输通道主要分为两部分，分别是表层平面传输线和内层垂直传输线。整个微波传输空间尺寸约为2.50 mm×3.00 mm。其中，表层信号线宽度W1=0.25 mm，表层地与信号线间隙S1=0.27 mm，中间地距离底层高度h1=0.25 mm，传输结构总高h=0.50 mm。

图2 外壳单个射频引脚三维互联仿真结构

在0.1 GHz～40 GHz 的宽频率范围内对陶瓷传输结构模型进行了初始仿真，结果如图3 所示。在22.5 GHz处，外壳端口的插入损耗高达6.2 dB。外壳封帽之后形成了封闭的矩形腔体，当封装频率到达毫米波时，容易激发腔体谐振。矩形谐振腔的基模谐振频率计算公式为：

图3 射频端口的仿真结果

其中，a和b分别指的是腔体的长和宽，将本文所述陶瓷外壳的长和宽分别代入并计算，可排除由于外壳腔体尺寸引起的电磁谐振。有文献结果表明[11-12]，当上述结构中的金属化孔的直径d、孔间距p和介质波长λ分别满足：p＜λ/4,p＜4d时，电磁场能量就不会从金属孔之间的缝隙中泄漏出去。利用HFSS 软件计算并分析上述频点处的电磁能量分布情况，发现氧化铝基板内存在较大程度的电磁泄漏，如图4 所示。高频信号在该结构传输过程中产生了明显的寄生耦合效应。该频点处的电磁场辐射进而导致外壳传输端口在目标频带内性能恶化。

因此，为了进一步寻求地孔分布位置与电磁能量泄露方向的关系，对垂直传输和水平传输两个维度分别进行优化。

2.1 垂直传输优化

分析图4 电场分布情况，可知接地金属通孔在内埋地和表层传输线形成的两平板间激发起了圆柱形TEM平板模，进而造成较大程度的电磁场辐射，对传输结果造成影响。为了减少上述问题对传输性能的影响，综合考虑地孔间距p、地孔通孔数量n和地孔分布角度α等关键参数，对传输结构作优化。在相邻地孔间增加外圈地孔，其分布如图5 圆形虚线标注的位置所示。继续使用HFSS 软件对优化后的模型在0.1 GHz～40 GHz 的宽频率范围进行计算，仿真结果及传输端附近的电场分布分别如图5、图6 所示。

图4 传输端附近的电场分布

图5 增加外圈地孔后传输端附近的电场分布

图6 增加外圈地孔后射频端口的仿真结果

图6 的计算结果显示，外壳传输端口经过优化后，其最大插入损耗约为3.9 dB，较初始模型的端口损耗有较大降幅。分析认为，通过增加外圈地孔，有效改善了垂直信号线周围的电磁场泄露，对平板间的圆柱形TEM平板模有积极改善作用。其主要表现为两点，一方面，初始模型中22.5 GHz 频点处的谐振坑消除，端口的恶化问题由低频向高频转变；另一方面，垂直过孔附近的电磁泄漏在分布和强度上都得到了明显改善，其场强随着信号线与通孔距离的增加发生明显衰减。

2.2 水平传输优化

尽管外圈地孔的增加减少了垂直方向寄生模式的产生和传播，但是从水平方向看，表层传输线周围仍存在一定程度的电磁场泄露，无法满足毫米波高频器件的封装需求。在信号线两侧做第3 圈垂直接地孔的设计优化，增加信号线与陶瓷边缘处的通孔栅结构，其分布如图7 中矩形虚线标注的位置所示。

图7 增加了圈地孔后传输端附近的电场分布

图7、图8 所示仿真结果及传输端附近的电场分布显示，使用3 圈地孔设计的传模型在0.1 GHz～40 GHz的宽频率范围获得了较为理想的结果，外壳的端口插入损耗约为0.60 dB，电压驻波比≤1.50，且仿真曲线光滑，目标频段内无突变点。电磁能量被传输结构较好地约束在了陶瓷介质内的通道内，无明显的电磁辐射能量泄露。分析认为，信号线两侧的阵列地孔有效阻挡了平板模式下电磁波，其传播能量沿阵列方向急剧衰减，直到衰减到寄生的场影响足够小。两侧的地孔分布从源头上消除了寄生平板模式，特别是在高频段获得了较为理想的微波传输性能。

3 测试结果及分析

本文所设计的毫米波CQFN 型封装外壳由中国电科55 所封装事业部HTCC 工艺线制造与生产。采用Agilent 公司型号为N5224A 的矢量网络分析仪、Cascade 公司型号为PM5 的探针台对样品进行测试。为了贴近用户的实际使用状态，采用介质材料为Rogers 5880 的高频测试板。测试板的传输端口结构与外壳一样，均使用了共面波导结构，其特征阻抗为50 Ω。

射频输入通道的测试结果如图9 所示。结果显示，在增加了测试板后，端口的插入损耗出现一定程度的恶化。分析认为，由于高频测试板的焊盘宽度小，增加了外壳焊接对位的难度，易造成额外的损耗。后续工作需要进一步寻求误差更小的测试方案。

图9 外壳射频传输通道微波测试结果

4 结论

基于HTCC 工艺，设计了一款覆盖0.1 GHz～40 GHz 范围的CQFN 型外壳，对传输通道的地孔分布设计作了优化。研究结果显示，不同分布区域的地孔与电磁屏蔽的关联不一致。内圈地孔设计多为改善垂直方向的能量泄露，对平板间的圆柱形TEM 平板模有积极改善作用；外圈地孔设计多为改善水平方向的能量泄露，对平板模式下电磁波能量泄露的作用更为明显。多圈地孔的设计保证了毫米波陶瓷外壳的微波信号传输，测试结果和仿真结果一致，可为同类型产品设计提供借鉴意义。本次设计的传输通道尺寸约为2 mm×3 mm，其占据封装外壳的空间仍然较大，后续工作仍需要进一步优化传输尺寸，以进一步提高封装的小型化。