轉(zhuǎn)自 高速射頻百花潭

吳金財(cái) 嚴(yán)偉 韓宗杰

微波毫米波固態(tài)有源相控陣天線在通信、雷達(dá)和導(dǎo)航等電子裝備中得到廣泛應(yīng)用，三維互聯(lián)與封裝技術(shù)是研制小型化、高集成和高可靠有源相控陣天線的微波毫米波多芯片模塊(MMCM)的關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)開(kāi)展三維多層多芯片熱布局優(yōu)化設(shè)計(jì)，使 MMCM 溫度分布均勻，保證三維 MMCM 可靠工作。通過(guò)研發(fā)含有雙面高精度腔體的低溫共燒陶瓷(LTCC)多層電路基板，并采用球柵陣列(Ball Grid Array，BGA)和毛紐扣微波毫米波垂直互聯(lián)工藝、激光密封焊接工藝，研制出小型化、高性能和高可靠性的三維微波毫米波多芯片模塊，滿足新一代微波毫米波相控陣天線技術(shù)要求。

電子裝備正在向小型化、輕量化、共形化和多功能方向發(fā)展，越來(lái)越多地采用固態(tài)有源相控陣體制。微波毫米波有源相控陣天線工作頻率高、波長(zhǎng)短、絕對(duì)帶寬寬，具有目標(biāo)識(shí)別能力強(qiáng)、空間分辨率高、ISAR 成像轉(zhuǎn)角小、成像快速、抗干擾能力強(qiáng)等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，更加適應(yīng)飛機(jī)和衛(wèi)星等小型平臺(tái)的安裝使用條件，甚至可與載體共形，有利于設(shè)備與平臺(tái)的集成應(yīng)用，因此，在機(jī)載、艦載和星載等各種平臺(tái)的電子裝備中具有廣泛應(yīng)用前景。由于微波毫米波有源相控陣天線對(duì)小型輕量化、高集成度、高可靠性和低成本的需求，作為其核心模塊的微波毫米波多芯片模塊(MMCM)三維互聯(lián)與封裝技術(shù)正在成為微波毫米波集成技術(shù)研究的新熱點(diǎn)。

微波毫米波頻段波長(zhǎng)短，MMCM 外形尺寸比低頻多芯片模塊更加精細(xì)、散熱要求更加苛刻、組裝密度也更高。因此，需要研究適用于 MMCM 的三維多層多芯片熱布局優(yōu)化、低溫共燒陶瓷(LTCC)高精度雙面腔體多層基板制造、微波毫米波垂直互聯(lián)、模塊密封焊接等三維互聯(lián)與封裝技術(shù)，以實(shí)現(xiàn) MMCM 微型化、高性能和低成本等技術(shù)要求，滿足 MMCM 越來(lái)越精密的裝配精度、越來(lái)越微小的空間尺寸和越來(lái)越高的可靠性要求。

1 三維多層多芯片熱布局優(yōu)化技術(shù)

MMCM 功率密度和組裝密度都比較高，工作時(shí)所消耗的功率要通過(guò)發(fā)熱的形式耗散出去。若模塊散熱能力不好，則功率耗散就會(huì)造成芯片有源區(qū)的溫度上升。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在 MMCM 的失效中，由熱引起的失效所占比重最大達(dá)到 55%，單片微波毫米波集成電路(MMIC)結(jié)溫每升高 10℃，失效率就提高 1倍左右。為確保三維 MMCM 可靠性高、性能穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)，以三維 MMCM 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、尺寸和材料為基礎(chǔ)，建立多層多芯片微波組件熱仿真模型，用有限元分析軟件 ANSYS 模擬該模塊在工作環(huán)境下的溫度分布情況，進(jìn)行熱布局優(yōu)化，改善其熱性能。

三維 MMCM 在垂直方向上疊加的電路設(shè)計(jì)為三層，分別為功率層(底層)、公共層(中間層)和控制層(頂層)，如圖 1 所示，據(jù)此建立的三維三層MMCM 幾何模型如圖 2 所示。

圖 1 三維 MMCM 垂直方向分層電路

圖 2 三維 MMCM 幾何模型

經(jīng)過(guò)熱布局優(yōu)化后的三維 MMCM 熱仿真溫度分布如圖 3 所示。從圖中可以看出，優(yōu)化布局后溫度分布均勻，溫度驟變值相應(yīng)減小，保證三維MMCM 在允許的溫度范圍內(nèi)可靠工作。

圖 3 三維 MMCM 熱仿真溫度優(yōu)化分布圖

2 LTCC高精度雙面腔體多層基板制造技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)三維 MMCM 的高密度互聯(lián)與封裝，需采用含高精度雙面腔體的 LTCC 多層電路基板。為此，在現(xiàn)有含單面腔體的 LTCC 多層電路基板制作工藝基礎(chǔ)上，突破了雙面腔體疊片、層壓和燒結(jié)工藝等技術(shù)難點(diǎn)。雙面腔體制作工藝流程及制作的LTCC 高精度雙面腔體多層基板分別如圖 4 和圖 5所示。

圖 4 雙面腔體制作工藝流程

圖 5 LTCC 雙面腔體多層基板

雙面腔體疊片工藝中，按順序進(jìn)行生瓷片疊放，用預(yù)壓合工藝將相鄰層壓緊，層疊完以后，在表層放置聚酯膜和不銹鋼片，以上工藝措施較好保證了疊片對(duì)位精度及腔體形狀。層壓工藝中，用預(yù)壓合工藝加固疊層后的 LTCC 生胚，避免了生胚移動(dòng)或錯(cuò)位，腔體中的填充物也由以前的嵌件改進(jìn)為彈性包封材料，保證了雙面腔體的高精度。燒結(jié)工藝中，降低排膠速度和燒結(jié)速度，保證了包含單面腔體的LTCC 多層電路基板的平整度和收縮率。

3 微波毫米波垂直互聯(lián)技術(shù)

在 MMCM 中，形成三維立體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)各平面微波毫米波電路間的垂直互聯(lián)。目前，實(shí)現(xiàn)微波毫米波電路垂直互聯(lián)的工藝方法主要有球柵陣列(BGA)封裝互聯(lián)和毛紐扣互聯(lián)。

3．1 BGA 封裝互聯(lián)技術(shù)

BGA 封裝互聯(lián)是在平面微波毫米波電路基板的底部制作陣列焊球作為電路的 I/O 端與其它平面微波毫米波電路基板或 PCB 母板互接。BGA 封裝互聯(lián)有以下特點(diǎn):

1)組裝密度高，最小球直徑 0．2mm ，同樣面積內(nèi)可連接點(diǎn)更多;

2)陣列焊球與基板的接觸面大、短，有利于散熱;

3) 陣列焊球引腳很短，縮短了信號(hào)傳輸路徑，減小了引線電感、電阻，改善了電路性能;

4)檢測(cè)難度大，只有 X 射線才能檢測(cè)出焊接效果。因此，采用該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)平面微波毫米波電路的高密度、高性能垂直互聯(lián)。

圖 6 是將 BGA 封裝技術(shù)應(yīng)用于毫米波 LTCC模塊。圖 7 給出了其 S 參數(shù)仿真結(jié)果，可見(jiàn) BGA 封裝互聯(lián)作為微波毫米波傳輸介質(zhì)傳輸性能良好。

圖 6 毫米波模塊中的 BGA 封裝互聯(lián)

圖 7 BGA 封裝 S 參數(shù)仿真結(jié)果

3．2 毛紐扣互聯(lián)技術(shù)

毛紐扣(Fuzz Button)是將一根很細(xì)的金屬絲，通過(guò)一定形狀的模具，壓縮成一定直徑和高度的彈性圓柱體。當(dāng)毛紐扣長(zhǎng)度方向受壓時(shí)，它會(huì)收縮，壓力消除它會(huì)還原，如圖 8 所示。

圖 8 典型毛紐扣實(shí)物照片

毛紐扣有下列特點(diǎn):

1)結(jié)構(gòu)尺寸小，有利信號(hào)集成;

2) 微波性能好，工作頻帶寬，最高可工作在40GHz;

3)無(wú)焊接式接觸，易拆卸，成本低;

4)耐大電流，單點(diǎn)耐電流 5A;

5)防震動(dòng)耐沖擊，使用壽命長(zhǎng)。

因此，采用毛紐扣連接器實(shí)現(xiàn)垂直互聯(lián)的無(wú)焊連接技術(shù)已經(jīng)成為三維高密度封裝的重要技術(shù)之一。圖 9 所示為毛紐扣互聯(lián)電路 CST 三維仿真模型，其中上下兩層電路都采用帶狀線結(jié)構(gòu)，中間通過(guò)毛紐扣電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)微波毫米波信號(hào)互聯(lián)。毛紐扣采用四線結(jié)構(gòu)，正中間毛紐扣傳輸射頻信號(hào)，周圍三個(gè)毛紐扣構(gòu)成屏蔽地結(jié)構(gòu)。將周圍三個(gè)毛紐扣與中間毛紐扣之間的間距、中間毛紐扣與帶狀線射頻地層之間的間距設(shè)置為掃描參數(shù)，最后掃描仿真 S 參數(shù)曲線結(jié)果如圖 10 所示。從圖中可以看出，毛紐扣作為微波毫米波傳輸介質(zhì)傳輸性能良好。

圖 9 毛紐扣互聯(lián) CST 三維仿真模型

圖 10 毛紐扣 S 參數(shù)仿真結(jié)果

對(duì)比分析上述兩種新型垂直互聯(lián)形式，特別是仿真分析微波傳輸性能，它們的互聯(lián)結(jié)構(gòu)都具有良好的微波毫米波傳輸性能。由于實(shí)際應(yīng)用時(shí)，除了傳輸微波毫米波信號(hào)外，還需要傳輸大量控制及電源信號(hào)，經(jīng)常會(huì)涉及到多點(diǎn)同時(shí)互聯(lián)，因此，需根據(jù)實(shí)際使用情況擇優(yōu)采用上述射頻互聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)微波毫米波信號(hào)、控制信號(hào)及電源信號(hào)的有效傳輸。

4 三維MMCM密封焊接技術(shù)

三維 MMCM 需要采用金屬外殼將整個(gè)模塊密封焊接起來(lái)，以保證其長(zhǎng)期可靠工作，如圖 11 所示。

圖 11 三維微波毫米波多芯片模塊

三維 MMCM 密封焊接主要包括三部分:

1)電源儲(chǔ)能層和密封環(huán)之間的焊接;

2)功率層射頻插座與底板的焊接;

3)密封環(huán)和功率層底板的焊接。

由于三維 MMCM 密度高，密封環(huán)的焊接應(yīng)盡量減小熱影響區(qū)，以免對(duì)芯片和前道焊接接頭造成損傷，脈沖激光焊的能量密度高度集中，是較為理想的焊接方式;而電源儲(chǔ)能層和密封環(huán)之間的焊接以及功率層射頻插座和底板的焊接則可以通過(guò)釬焊方式實(shí)現(xiàn)。采用脈沖激光縫焊進(jìn)行密封焊接具有氣密性高、接頭強(qiáng)度大、熱影響區(qū)小、熱變形小、無(wú)機(jī)械應(yīng)力和機(jī)械變形、焊點(diǎn)無(wú)污染、成品率高等優(yōu)點(diǎn)，滿足了三維MMCM 密封環(huán)和功率層底板密封焊接的要求。

三維 MMCM 外殼體與蓋板通過(guò)激光熔焊形成連續(xù)致密的焊縫以達(dá)到密封的氣密性要求，因此需要對(duì)影響密封焊接質(zhì)量的因素進(jìn)行研究，包括被焊母材之間的焊接性、焊接接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鍍層、焊縫污染物、材料內(nèi)部應(yīng)力、激光焊接工藝參數(shù)、焊接方法(焊接次序和工裝夾具設(shè)計(jì))等，最終找到合理的激光焊接密封工藝。由于激光密封焊接過(guò)程中沒(méi)有填加焊接材料，蓋板和殼體的母材直接熔化形成焊縫熔池，因此蓋板和殼體的焊接結(jié)構(gòu)和配合間隙非常重要。如果結(jié)構(gòu)不合理或間隙較大，焊縫容易產(chǎn)生未熔合缺陷。圖 12 給出了優(yōu)化后的三維MMCM 密封焊接結(jié)構(gòu)。

圖 12 三維 MMCM 封裝結(jié)構(gòu)示意圖

通過(guò)優(yōu)化激光峰值功率、焊接速度、脈沖重復(fù)頻率、脈沖寬度、離焦量等主要焊接工藝參數(shù)，使得激光焊縫致密、均勻，外形(如圖 13 所示)美觀，沒(méi)有焊接缺陷，經(jīng)過(guò)氦質(zhì)譜檢漏儀的細(xì)檢漏和氟油檢漏儀的粗檢漏，確認(rèn)達(dá)到模塊氣密性指標(biāo)要求。

圖 13 激光焊縫外觀

5 結(jié)論

三維互聯(lián)與封裝技術(shù)是研制小型化、高集成和高可靠微波毫米波有源相控陣天線核心 MMCM 的關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)開(kāi)展三維多層多芯片熱布局優(yōu)化設(shè)計(jì)，使 MMCM 溫度分布均勻、溫度驟變值減小，有效解決三維 MMCM 高效散熱難題，保證三維 MMCM在允許的溫度范圍內(nèi)可靠工作。在此基礎(chǔ)上，研發(fā)含高精度雙面腔體的 LTCC 多層電路基板，并采用球柵陣列(BGA)和毛紐扣微波毫米波垂直互聯(lián)工藝、激光密封焊接工藝等三維互聯(lián)與封裝技術(shù)，研制出小型化、高性能與高可靠的三維 MMCM，滿足了新一代微波毫米波有源相控陣天線要求。（參考文獻(xiàn)略）

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