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基于彈性互連的三維射頻前端模組的設(shè)計

發(fā)布時間:2023-01-09 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】提出了一種在模組底面同時設(shè)計彈性互連接口和芯片封裝腔的集成架構(gòu),實現(xiàn)了芯片三維堆疊和電路面積的高效利用。重點介紹了三維模組的集成架構(gòu)、彈性互連結(jié)構(gòu)及裝配工藝、寬帶射頻垂直互連的設(shè)計和研究。通過4~18 GHz三維射頻前端模組的試制,驗證了基于彈性互連三維集成架構(gòu)的技術(shù)可行性,該射頻前端模組具有高密度、高可靠、裝配工序簡單靈活的特點,可廣泛應(yīng)用于超寬帶小型化射頻系統(tǒng)。


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為適應(yīng)軍用電子裝備小型化、陣列化、綜合一體化的迫切需求,寬帶射頻集成與封裝正在向高密度、輕量化、標(biāo)準(zhǔn)化和可擴展的方向發(fā)展。


通常采用三維堆疊技術(shù)以顯著提高系統(tǒng)的集成度,三維堆疊的實質(zhì)是把不同芯片與器件在空間上進行垂直集成,減少芯片占用的面積,通過先進工藝來縮短芯片間信號路徑,利用通孔互連來減少引線長度。在利用三維堆疊提升集成密度后,其信號互連密度也越來越高,傳統(tǒng)連接器的互連方式無法適應(yīng)三維模組對外互連的新要求,需采用一些尺寸及間距更小的互連方法。


本文根據(jù)射頻系統(tǒng)高密度集成的需求,分別選用LTCC和毛紐扣作為集成的基板和三維模組的對外互連接口,開展基于彈性互連的三維集成模組研究。通過研究集成架構(gòu)、寬帶射頻傳輸性能和裝配方式,采用在模組底面同時設(shè)置彈性互連接口和芯片封裝的集成方法來實現(xiàn)模組面積的高效利用,并設(shè)計了一款典型的4~18 GHz寬帶射頻前端模組進行該三維集成方法的應(yīng)用驗證。該基于彈性互連的三維模組集成方法具有高密度、高可靠、可擴展及裝配工序簡單靈活的特點,相比傳統(tǒng)集成方式的同類產(chǎn)品功能密度顯著提升。


1 集成架構(gòu)


基板選擇方面,基于TSV(硅基板穿孔)的硅基堆疊是目前三維集成的熱點方向,但由于在寬帶高頻傳輸和氣密性方面存在技術(shù)難度,在軍用電子裝備領(lǐng)域的應(yīng)用尚未完全見底,而LTCC(低溫共燒陶瓷)基板具有高可靠、高頻傳輸和氣密性方面的優(yōu)勢,被大量用于高可靠電子設(shè)備的高密度集成與封裝。


互連結(jié)構(gòu)選擇方面,BGA(球柵陣列)由于具有互連密度極高、損耗低、布局靈活、互連一致性好的優(yōu)勢,是三維互連的優(yōu)選,但由于陶瓷與基于有機材料的射頻母板存在熱失配,較大尺寸模組在不通過二次加固措施下存在溫度沖擊失效的風(fēng)險。而具有彈性的毛紐扣也是實現(xiàn)三維垂直互連的一種重要手段,其無焊接裝配方式易于重復(fù)拆卸和維護,在高低溫和振動環(huán)境下也能夠保證連接的良好性,具有較高的可靠性,在航空航天和軍事等應(yīng)用領(lǐng)域有較多研究。


綜上,為了使三維集成模組達到高密度、高可靠、裝配簡單的目標(biāo),結(jié)合射頻模組通常對外互連接口不多的特點,本文采用了在LTCC基板雙面布置元器件來實現(xiàn)芯片堆疊,同時在底面的局部區(qū)域集中設(shè)置彈性互連接口的集成架構(gòu),該架構(gòu)如圖1所示。


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圖1 三維模組集成架構(gòu)示意圖


該三維集成模組主要包含芯片或元器件、LTCC基板、上圍框、上蓋板、下圍框、下蓋板、彈性互連及支撐體。其中,芯片是實現(xiàn)射頻模組對應(yīng)功能的基礎(chǔ)元件,通常采用裸芯片,這些芯片集成在LTCC基板上設(shè)計的對應(yīng)腔槽內(nèi)。上、下圍框均與LTCC焊接在一起形成芯片工作所需要的空氣腔結(jié)構(gòu),并通過上、下蓋板實現(xiàn)對所有芯片的氣密性封裝。在LTCC的背面局部區(qū)域設(shè)計對外互連焊盤,通過彈性互連及支撐體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)整個模組多信號的對外互連。


本集成架構(gòu)利用LTCC基板的寬帶高頻、任意層互連及自氣密優(yōu)勢、彈性互連的高密度及工藝兼容性強的特點,實現(xiàn)器件集成密度有效提升,對外互連接口及氣密封裝的體積占用率降低,同時由于結(jié)構(gòu)及裝配工序簡單,可免焊接無損拆裝,從而具備良好的可生產(chǎn)性和可維護性。


2 彈性互連及裝配


2.1 彈性互連結(jié)構(gòu)設(shè)計


毛紐扣是提供彈性互連的核心部分,它是將金屬線(如Au/BeCu、Au/Mo、Au/W、Au/NiCr)根據(jù)形狀和高度模壓成形,如圖2所示。


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圖2 毛紐扣實物圖


根據(jù)設(shè)計需要,毛紐扣可采用多種布局和結(jié)構(gòu)方式。多個低頻電信號連接一般采用陣列布局形式,而寬帶射頻信號則多采用類同軸布局形式。在結(jié)構(gòu)上可用于PCB/LTCC板間互連、器件與PCB/LTCC互連、插頭/接口、夾層連接器,其堆疊結(jié)構(gòu)可以采用單個毛紐扣、毛紐扣/毛紐扣、毛紐扣/導(dǎo)體/毛紐扣、毛紐扣/硬帽、毛紐扣/焊點、硬帽/毛紐扣/硬帽、硬帽/毛紐扣/焊點多種組合形式。通常情況下為了保證連接可靠性,一般將毛紐扣與相應(yīng)的硬帽配同使用,其典型裝配形式如圖3所示。


11.png圖3 毛紐扣/硬帽裝配形式


本文由于毛紐扣集成在三維模組產(chǎn)品中,為了保證產(chǎn)品的長期可靠性,即采用硬帽對外的方式,在裝配過程中,先將硬帽塞進支撐體孔中,再安裝毛紐扣,最后將整個包含毛紐扣、硬帽和支撐體的互連結(jié)構(gòu)裝入圍框中。


2.2 裝配及封裝方式設(shè)計


利用毛紐扣實現(xiàn)射頻和直流信號的垂直互連,要實現(xiàn)其最終性能,除了互連結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計方面因素外,還需考慮毛紐扣與上下基板之間、導(dǎo)體之間的精確對位和可靠壓緊,以及支撐介質(zhì)材料和金屬材料與基板材料間的熱匹配關(guān)系。


本文通過在圍框上設(shè)計定位銷并在對應(yīng)PCB母板上開銷釘孔以保證對位精度,同時通過4顆均勻分布的螺釘實現(xiàn)整個三維模組至PCB母板的鎖緊。為避免毛紐扣過度壓縮導(dǎo)致形變,通過對支撐材料孔結(jié)構(gòu)尺寸以及上下基板間距的設(shè)計使毛紐扣處于約20%壓縮狀態(tài)。整個三維集成模組底面的裝配如圖4所示。


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圖4 三維模組底面裝配示意圖


3 寬帶射頻垂直互連


在雙面布置器件及LTCC基板任意層互連的基礎(chǔ)上,芯片與基板的寬帶射頻傳輸通過基板開腔和共地來保證,但由于存在雙面芯片的信號互連和外部射頻信號經(jīng)過基板內(nèi)部與芯片互連,射頻信號的過渡需穿過整個基板到達表面進行傳輸,因此需對其中的寬帶互連結(jié)構(gòu)進行對應(yīng)的匹配設(shè)計和仿真以解決傳輸過程中的寬帶失配問題。


此外,由于毛紐扣的互連高度相比BGA偏高,應(yīng)用中會引入較強的電感效應(yīng),需在兩側(cè)基板設(shè)計和優(yōu)化匹配結(jié)構(gòu),使其寬帶傳輸頻率滿足18 GHz應(yīng)用需求,針對LTCC帶狀線通過毛紐扣至PCB母板的垂直互連結(jié)構(gòu)進行建模仿真。基于HFSS構(gòu)建的三維仿真模型如圖5所示,最終的仿真結(jié)果如圖6所示。


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圖5 仿真模型示意圖


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圖6 仿真結(jié)果


可見單個互連結(jié)構(gòu)在18 GHz內(nèi)插損小于0.3 dB,駐波小于1.6,滿足本文寬帶射頻前端的應(yīng)用需求。


4 射頻前端模組設(shè)計實現(xiàn)


4.1 寬帶射頻前端鏈路


本文設(shè)計的射頻前端模組實現(xiàn)4~18 GHz放大預(yù)選濾波功能,含1位數(shù)控衰減,并配備寬帶均衡。射頻通道功能鏈路框圖如圖7所示。


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圖7 射頻前端鏈路框圖


鏈路設(shè)計上通過第一級放大保證模組的噪聲,利用數(shù)控衰減實現(xiàn)一定的增益調(diào)整能力,通過開關(guān)濾波器組將4~18 GHz信號分為4段進行頻率選擇,并采用兩級濾波的方式提高帶外抑制能力,兩級濾波之前增加放大器以提升整個通道的增益。


4.2 三維集成模組實現(xiàn)


為充分驗證本文提出的集成架構(gòu),經(jīng)過三維集成及裝配方法、寬帶射頻互連結(jié)構(gòu)建模仿真及功能鏈路設(shè)計方面的研究,完成了基于彈性互連的三維射頻前端模組的試制,該模組如圖8所示,外形尺寸為25 mm×18 mm×8 mm(含安裝孔),質(zhì)量小于15 g。


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圖8 三維集成模組樣件


利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和測試夾具對該模組進行了實物測試,全頻段測試曲線如圖9所示。該射頻前端模組在4~18 GHz實現(xiàn)約25 dB的增益,同時對帶外信號實現(xiàn)50 dBc的抑制。相比傳統(tǒng)集成方式的同類產(chǎn)品,該模組的功能密度顯著提升,相關(guān)成果也應(yīng)用于某微系統(tǒng)集成接收系統(tǒng)中,效果明顯。


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圖9 三維集成模組實測曲線


5 結(jié)論


本文基于LTCC基板和毛紐扣彈性互連,提出一種在模組底面同時設(shè)置彈性互連接口和芯片封裝腔的集成架構(gòu),實現(xiàn)三維堆疊和電路面積的高效利用。通過4~18 GHz寬帶射頻前端模組的試制完成該集成方法及相關(guān)裝配工藝的應(yīng)用驗證,該集成架構(gòu)和方法具有高密度、高可靠、可擴展及裝配工序簡單靈活的特點,在軍用電子裝備小型化應(yīng)用中有較高的工程推廣價值。


作者:盧子焱,張繼帆,董東,韓思揚,彭文超

來源:電子工藝技術(shù)



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