王晟
(中国电子科技集团公司第十三研究所,河北石家庄,050000)
随着现代通信技术的飞速发展,对通讯电子设备小型化和高集成度要求日益提高,微波、射频电路的系统功能也日益复杂,这种要求下,对微波器件封装中传输线的结构要求更加精细、布局更加紧凑。随着高温共烧陶瓷(High Temperature Cofired Ceramics,以下简称HTCC)技术的不断成熟,HTCC 封装的多层布线结构具有加工精度高、可靠性高等特点,基于HTCC 工艺的封装产品在电子设备上广泛应用。但传输线的变化导致在微波频段内损耗较大,目前应用在封装内的HTCC 互联结构在高频时传输性能不理想。
本文采用HTCC 多层布线技术,使用介电常数9.0 的氧化铝陶瓷作为基材,通过电磁场三维仿真,设计了微带到带状线的垂直传输互联结构,并应用在HTCC 管壳封装中,同时和PCB 联合仿真,实际测试结果满足符合设计要求。
根据微带传输线的模型,微带线传输的主要模型是准TEM 模。运用导波模型传输的奇偶规则进行传输原理,该原理特性为偶模式不能对奇模式起激励,奇模式不能对偶模式起激励,奇偶形式的波不能互相传递,如果对信号进行传输,一定是同样模式的波才可完成传递。而垂直的通孔以及周围屏蔽的地孔形成同轴线结构,同轴线及带状线其传输主要模型均是TEM波,根据TEM 波传输的原理,该垂直通孔形成类同轴线结构,微带线与下层间带状线可以进行信号传播[1]。
该垂直互联结构设计目的是射频信号在多层陶瓷基材间传输,正面引脚焊盘与背面引脚焊盘之间的过渡段包含用于传递信号的内层带状线、用于传递信号的侧面垂直过渡半孔。内层带状线一端连接正面引脚焊盘,另一端与侧面垂直过渡半孔连接,侧面垂直过渡半孔的另一端与背面引脚焊盘连接,并形成陶瓷基板外侧向背面引脚焊盘延伸出的半圆形豁口。陶瓷基板中间的接地孔均匀分布在内层带状线周围,实现不同层的地平面连接,用来降低平行板之间寄生效应,较好的防止能量的辐射损失,还可以增加不同传输路之间的隔离度,带状线结构如图1 所示。该接地孔与信号孔共同形成类同轴线结构,改善从微带线转为带状线阻抗匹配问题[2~3]。
图1 带状线结构图
信号传输路径为:陶瓷基板正面引脚焊盘→内层带状线→侧面垂直过渡半孔→陶瓷基板背面引脚焊盘,整体互联结构如图2 所示。这样的多处过渡会造成微波信号的不连续,要实现微波信号的频率在DC~20GHz范围内匹配,保证信号在规定频率范围内的完整传输,首先需要较完备的机理分析,还要通过电磁场仿真的调整对其进行阻抗匹配,通过优化,确保阻抗的连续。
图2 垂直互联结构图
信号传输的通孔需按工艺规范进行仿真设计,有可能会偏离50Ω 的阻抗,该垂直过渡结构可能会存在阻抗的不连续,为了将最大的功率传输到后级的射频电路,必须使整体传输线与输入信号源的阻抗相匹配,过渡结构的输出端也必须采取类似的匹配阻抗。
可以使用带线模拟电抗元件进行这种阻抗的匹配。因此,可以用带线模拟串联或并联电抗元件到电路中来实现阻抗变换。串联元件可以让阻抗沿着史密斯圆图上的电阻圆转动,并联元件可以让导纳沿着电导圆转动。理论上来说,通过带线实现电抗元件的阻抗变换,任意阻抗都可以到史密斯圆图上的预期阻抗匹配点。
按传输路径,保持特征阻抗恒定,内层带状线是以HTCC 陶瓷基板内层印制线为导带、以内层印制线导带上下两层接地层为接地面的带状线。其特性阻抗为:
内层带状线是以HTCC 陶瓷基板内层印制线为导带、以内层印制线导带上下两层接地层为接地面的带状线,εr是内层带状线介质的相对介电常数,h为内层带状线介质厚度,ω为内层印制线导带宽度,t为内层印制线导带厚度。
同时为实现信号在广域频率范围内的稳定传输,传输路径上都要满足阻抗匹配要求,特别是信号在水平传输线与垂直传输线的交界处。为缓解结构突变引起的阻抗失配,通过仿真优化陶瓷基板正面引脚焊盘、内层带状线与陶瓷基板背面引脚焊盘的长度与宽度,减小水平引脚焊盘与垂直过渡半孔间的阻抗差异。
对该垂直互联结构采用电磁场仿真软件进行仿真,经仿真验证,该结构信号传输的插入损耗和回波损耗如图3 所示,在DC~20GHz 频段内插入损耗小于0.5dB,回波损耗大于15dB,信号传输过程中的能量损失较小,满足设计指标要求。
图3 垂直互联电磁场仿真结果图
通过以上理论分析及仿真验证,将该垂直互联结构应用于HTCC 管壳封装中,选用介电常数9.0 的氧化铝陶瓷材料,材料参数如表1 所示。
表1 HTCC氧化铝材料
在电磁场仿真软件中对应用该互联结构的管壳进行三维仿真。HTCC 陶瓷基板为三层阶梯形状,正面引脚焊盘位于第二层陶瓷阶梯上,包含键合焊盘、键合焊盘与内层带状线的过渡段,且为上窄下宽的“凸”字型构件,正面引脚焊盘和背面引脚采用该垂直互联结构相连,完成微波射频信号的传输,背面引脚焊盘为正方形构件,且基板外侧向背面引脚焊盘延伸出半圆形豁口。
通过仿真优化,射频传输焊盘与射频地焊盘的距离会对射频信号的传输特性形成损耗较大、阻抗失配等影响。所以将板间垂直互连等效为类同轴模式,第一层陶瓷阶梯厚度为0.2mm,第二层陶瓷阶梯厚度为0.2mm,第三层陶瓷阶梯厚度为0.5mm。陶瓷基板正面引脚焊盘的键合焊盘为长度0.15mm、宽度0.2mm 的长方形构件,键合焊盘与内层带状线的过渡段为窄边宽度0.15mm、宽边宽度0.2mm 的梯形构件。陶瓷基板背面引脚焊盘为长度0.3mm 的正方形构件,且其半圆形豁口半径为0.1mm,介质相对介电常数9.0。侧面接地垂直过渡半孔及用于传递信号的侧面垂直过渡半孔孔径均为0.2mm,侧面接地垂直过渡板孔高度为0.8mm。
为结合实际应用,在管壳中放置直通带线进行仿真,管壳下面为印刷电路板,是表贴封装的载板,电路板走线采用共面波导,微波信号由外部共面波导传输通过该垂直互联结构传输到腔体中的键合指上,从而通过金丝键合连接器件及电路。管壳和PCB 相结合进行仿真,更贴近实际使用,仿真模型如图4 所示,经仿真后,仿真曲线如图5 所示,射频信号在封装内经垂直互联传输后,在DC~20GHz 频段内插入损耗小于0.3dB,回波损耗大于13dB,频率特性满足使用要求。
图4 HTCC 封装仿真模型
图5 HTCC 封装仿真曲线
基于上述设计与仿真,加工出该垂直互联结构的HTCC 管壳,高温共烧陶瓷(High Temperature Co-fired Ceramics,HTCC)技术当前相对成熟,在汽车电子、移动通信、各种电子装备等领域存在广泛应用。其通过数量较多层陶瓷基片通过叠层压制,陶瓷基片上可印制加工带状线、微带线、共面波导线等微波集成传输线,层间通过过孔互联传输,可以大幅提高封装密度,且生产规模较大、非常适合批量生产。
HTCC陶瓷基板烧结温度约为1400℃~1500℃,具有较高的化学稳定性,较高的热导率;较高的集成度,可进行高密度的布线;烧结过程稳定,在烧结过程中使用钨(W)、锰(Mn)和钼(Mu)等金属,但这类金属导电性较差,需要在该金属表面镀镍(Ni)、金(Au)以起到降低传输损耗、保护金属层、使用时可焊接等作用。
高温共烧陶瓷加工技术主要工艺包括:
(1)原材料的生产,主要是陶瓷粉与烧结助剂等的配比结合,添加有机溶剂或水基溶剂共同形成陶瓷浆料,接着使用流延工艺生产生瓷带,经过裁切形成尺寸均匀的陶瓷片。
(2)流延工艺,该工艺为陶瓷粉和非水基粘合剂按照相应比例结合形成均匀的陶瓷浆料,然后通过流延工艺形成致密均匀的生瓷带。
(3)生瓷件生产环节,该环节是多层共烧陶瓷生产的主要环节,首先按照设计的结构方案对每层陶瓷基片冲孔,接着是在每层陶瓷基片上印刷图形走线以及填充相应的过孔,每层陶瓷基片进行了印刷填孔工艺就可以把已加工的基片根据设计堆叠在一起,在固定好的压力参数下层压在一起,此时已形成生瓷阶段的瓷件雏形。通过热切工艺将瓷件阵列分割成单个瓷件,可以得到一个完整的生瓷件产品,经过检验合格后就可以进行烧结,烧结后得到样品需要进行检验检测等工序,烧结好样件经过检验检测后,送到下一步工序,进行镀镍和镀金。合格的产品根据方案设计还需要添加引线、密封环、盖板、球栅阵列、热沉等其他的工序来形成一个密闭的三维陶瓷封装结构。
此种垂直互联结构应用的装配工艺简便,管壳陶瓷基板正面引脚焊盘采用金丝键合线与内部射频芯片通过键合进行连接,连接时采用GSG 结构,保证信号屏蔽效果。陶瓷基板背面引脚焊盘与PCB 采用标准SMT 工艺流程进行装配即可,装配时选择与仿真相同的PCB 材料及厚度,保证实测接近仿真结果。
图6 为实物照片,经测试,实物在DC~20GHz 频段内插入损耗小于0.5dB,回波损耗大于15dB,能够很好满足工程需要。
图6 实物照片
本文通过理论分析和电磁场仿真,采用HTCC 多层布线技术,设计完成了微带到带状线的垂直传输互联结构,并将该结构应用在HTCC 管壳封装中,同时和PCB 联合仿真,对加工后的实物进行测试,该垂直传输互联结构封装在DC~20GHz 频段内插入损耗小于0.5dB,回波损耗大于15dB,满足符合设计要求和工程应用。