一种低损耗毫米波垂直互联设计*

张先荣

(中国西南电子技术研究所，成都 610036)



一种低损耗毫米波垂直互联设计*

张先荣**

(中国西南电子技术研究所，成都 610036)

设计了一种利用球栅阵列(BGA)的毫米波垂直互联，解决了毫米波系统三维(3D)集成时层间信号互联的低损耗传输问题。根据传输线理论，利用电磁仿真软件对这种采用BGA的垂直互联进行了仿真，并对层间通孔半径、焊球半径、焊盘半径等对传输性能的影响进行了分析。样件测试结果显示，在28.4～30.4 GHz，其层间垂直传输损耗小于0.36 dB，反射小于-15 dB。该垂直互联结构简单、性能良好，可广泛用于毫米波微系统3D集成。

毫米波微系统；垂直互联；球栅阵列；3D集成

1 引 言

随着现代电子技术的快速发展，大量的电子装备和产品不断朝小型化、高可靠、多功能化的方向发展，这就对产品的封装提出了更高的要求。各类集成封装方式也在近些年得到不断的完善和突破,而超越摩尔定律的微系统化也不断地应用到各类电子装备中[1-4]。在此过程中，传统的二维平面封装已经不能满足需求，取而代之的一个方法就是对产品进行三维(Three Dimensional，3D)集成设计和封装[5-6]。封装技术在3D集成方面发挥着极其重要的作用，尤其是其中的球栅阵列(Ball Grid Array，BGA)集成封装因其在互联时具有一致性好、集成密度高、层间互联间距短等优异性能而成为了一种先进的封装方式，被广泛应用于各类电子设备[7-9]。

垂直互联作为3D集成封装的关键技术之一，已经成为了学术界和工业界的一个热点研究课题。目前的垂直互联技术主要应用于数字电路或低频电路的高密度集成封装中，射频方面的应用相对较少且主要工作于Ku及以下频段。文献[10]采用毛纽扣结构工作于16 GHz以下，插损大于1 dB。文献[11]报道了一种工作频率可达18 GHz的准同轴结构的垂直过渡，其损耗为0.8 dB。工作于Ka及以上频段的更是鲜有报道。文献[12]采用硅基板作为载体并用同轴结构实现了Ka频段的垂直过渡，但其插入损耗达到3.5 dB，未能达到低损耗传输的目的。

毫米波电路具有波长短、频带宽、准光性等独特优点，因而毫米波设备正大量应用于侦察、通信等各类装备系统中。在微系统化的进程中，实现毫米波电路的3D集成封装也是一个不可避免的趋势。为了实现毫米波频段3D集成封装垂直过渡信号的低损耗传输，本文设计了一种低损耗毫米波垂直互联，采用BGA实现上下两层基板间的信号传输，并对样件进行了测试。该垂直互联结构在Ka频段具有良好的射频传输特性，对射频层间垂直传输具有很好的借鉴意义，可用于毫米波微系统的3D集成。

2 垂直互联结构方案设计

垂直互联需要解决的主要问题是射频信号在上下层基板间的低损耗垂直传输以及与外部的互联互通。考虑到互联结构的射频电气性能、结构强度和封装测试的方便性等因素，整个结构主要分为上层用于盖封及保护的基板、中间用于射频传输功能的基板、BGA焊球和下层用于射频传输的基板4个部分，基板上还设有相应的金属传输线和作为功能地的金属层。

为了垂直互联结构便于与外部器件的互联，将该垂直互联的对外接口经过内部共面波导到微带过渡，最终设置为标准的50 Ω微带传输线端口。射频电路基板选用的是Rogers 4350B，其介电常数为3.48，损耗角正切为0.004，每层基板的厚度为0.254 mm，以便具有良好的射频性能和机械强度；基板上信号传输层和地面层的金属厚度设置为0.018 mm；BGA焊球的半径为0.25 mm。整个结构示意图如图1所示。

图1 垂直互联结构示意图Fig.1 Schematic diagram of vertical connection structure

3 垂直互联结构的设计及仿真

具体的垂直互联仿真采用电磁仿真软件HFSS来完成，其分层及整体结构如图2所示。上层用于盖封的介质基板只在其顶层设有金属地层；用于射频信号传输的两个基板层上均设置有微带线-共面波导转换结构，并且两个基板结构布局相似，只是上层基板中设置有用于射频信号传输的通孔；两个射频传输层之间是BGA焊球，其中中间的焊球还具有信号传输功能；中间粉红色的部分为信号传输路径示意图。

(a)垂直互联结构示意图

(b)单层结构示意图图2 垂直互联仿真结构图Fig.2 Schematic diagram of vertical connection simulation

结构设计时，考虑到微波频段上共面波导的色散效应小的优良特性，在射频传输层的同一介质平面上通过微带线与共面波导的过渡，将信号传输至共面波导上；同时,在介质基板上共面波导传输线的顶端设置半径r2为0.17 mm的金属通孔(实际生产中通孔内填充铜浆形成实心铜柱)，用于射频信号在介质内的垂直传输。在r2的外部设置有半径r4为0.22 mm的焊盘，用于焊接在两层之间起信号垂直互联作用的BGA焊球。层间射频信号的垂直传输就可以通过上层介质基板上的共面波导、金属铜柱、连接于上层铜柱底面和下层基板上的BGA焊球以及下层介质基板表面的共面波导来完成。为了实现良好的接地和信号的隔离，采取了在传输线的两边介质通孔内填充铜浆形成金属柱以及在对应的层间铜柱上焊接BGA球的措施。

整个毫米波垂直互联结构S参数仿真曲线如图3所示，在28.2～30.4 GHz其反射小于-20 dB，插损小于0.15 dB。

图3 垂直互联仿真S参数图Fig.3 Simulated S-parameters of the vertical connection

图4是BGA半径r5发生改变时对S11的影响仿真图。从图中可以看出，在BGA焊球半径r5为0.25 mm的附近时，随着半径的增大，S11频率往低端偏移的同时还会产生性能恶化。这样在设计时，需要选择球径变化小的BGA球；同时在焊接装配过程中要注意减小层间的高度装配误差，尽量与厂家给出的BGA焊球焊接后的半径变化参数保持一致，以减小层间高度偏差带来焊球半径变化过大对反射造成的不利影响。

图4 S11随BGA焊球半径r5变化对应图Fig.4 S11-parameter with various r5

图5是在焊球参数不变的情况下，单独对整个设计、加工过程中其他容易对性能造成影响的几个因素进行了仿真分析。从图5(a)可以看出，S11会随着介质层的中心通孔半径r2的增大往频率低端偏移，但整个过程中S11的曲线形状保持良好；图5(b)反映的是随着中心焊盘半径r4的增大，S11频率也随着降低的情形；图5(c)是焊盘外的隔离环半径r6变化对S11参数的影响。从图中可以看出，在一定范围内的半径变化几乎不会对S11参数带来影响。这样，设计时就可以根据需要着重选择对通孔半径r2和焊盘半径r4进行关注并适当微调，以便在后续的加工过程中采用合适的加工工艺，以使得该垂直互联在保证性能的情况下还要具有良好的性价比。

(a)S11随层间通孔半径r2的变化对应图

(b)S11随焊盘半径r4的变化对应图

(c)S11随隔离环r6的变化对应图图5 S11与r2、r4 和r6变量变化对应图Fig.5 S11-parameter with various r2,r4 and r6

4 垂直互联结构的加工实现

根据电磁仿真所得到的结构尺寸，对垂直互联结构进行了实物加工。电路基板Rogers 4350B的厚度为0.254 mm，其表面金属层采用沉金工艺，共面波导段的带线宽度0.5 mm，缝隙宽度为0.15 mm。BGA焊球半径0.25 mm，封装过程中先进行单层的BGA植球，再叠层后整体进行回流焊。

加工、封装的垂直互联实物如图6所示。左上角是垂直互联的单层实物结构(上层)，图中包含了微带与共面波导的过渡、介质层中心通孔填充铜浆后形成的铜柱，以及图中11个用于放置BGA的圆环式焊盘。图6右端分别展示的是将BGA焊球放植于焊盘位置时的下层介质基板，中间的BGA球用于射频信号传输，两边的10个BGA用于接地、对介质基板起支撑以及信号的隔离作用。图6左下角是将上下两层微带-共面波导传输层、BGA和顶层盖板通过回流焊焊接后形成的整个垂直互联结构。左右两端外露的金属线是标准的50 Ω传输线。

图6 垂直互联实物图Fig.6 Photo of the vertical connection

5 垂直互联结构的测试验证

整个垂直互联结构的性能测试验证是将互联结构安装在一个专门制作的金属测试台中，两端通过金丝键合与标准的50 Ω微带线进行连接，再通过微带转K接头作为整个测试结构的输入输出端。实际测试装配图如图7所示。

图7 实物测试图Fig.7 Photo of sample test

实物测试是在常温环境下利用矢量网络分析仪来完成，对仪器的校准采用的是电子校准件。整个实物测试曲线图如图8所示，从图中可以看出，在28.4～30.4 GHz,整个插损小于2.59 dB。另外，如图7所示，直接将垂直互联部分用微带线进行替换，再次测出插损值，约为2.23 dB。因此，在扣除转接头带来的损耗(包含2个K接头、1个双阳2.4/2.92接头、1个2.4/2.92阴阳接头)以及微带传输线(长度约40 mm)及键合损耗后，整个垂直互联在28.4～30.4 GHz的损耗为0.36 dB，其反射均小于-15 dB，反映了该毫米波垂直互联结构优良的射频传输性能。

(a)S21测试曲线

(b)S22测试曲线图8 S参数实测结果图Fig.8 Measured S-parameters

从测试和仿真结果的对比来看，整体性能吻合良好，因为在加工和装配的过程中，由于基板的厚度、焊球在实际的焊接过程中半径的变化都会与厂家给定的理论值存在偏差，以及装配误差等都会带来影响，两者也存在一定的差异。设计时可通过调整通孔半径r2和焊球半径r5来实现更宽的带宽需求。后续可以通过设计专用的工装来减小装配、焊接封装过程带来的误差对S参数的不利影响。

为了便于与文献的垂直互联结构进行对比，表1列出了其主要性能参数。从对比情况可以看出，本文所设计的垂直过渡工作频率更高,插损更小。

表1 垂直过渡结构比较Tab.1 Vertical interconnection comparison

6 结 论

本文从实现毫米波微系统功能电路及模块的3D高密度集成封装实际应用需求出发，针对现有毫米波垂直互联采用类同轴结构损耗过大的问题，基于微波传输理论，通过HFSS建模仿真优化，设计了一种利用BGA的低损耗毫米波垂直互联。通过对加工的实物样件进行测试，显示出其在毫米波频段的优良射频传输性能。该结构证明了BGA用于毫米波微系统层间射频垂直传输的可行性，对毫米波射频前端、信道等微系统3D集成封装设计具有重要的借鉴意义。

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Design of a Low Loss Millimeter Wave Vertical Interconnection

ZHANG Xianrong

(Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China)

The design of a millimeter wave(MMW) vertical interconnection with ball grid array(BGA) is presented in this paper,which solves the problem of low loss transmission between interlayers in the three dimensional(3D) integration process. According to the transmission line theory,the vertical interconnection of BGA is simulated with electromagnetic simulation software. The influence of interlayer through-hole radius,BGA solder ball radius and pad radius on transmission performance is analyzed.Sample test result shows that the transmission loss is less than 0.36 dB and the reflection is less than -15 dB between 28.4 GHz and 30.4 GHz. The vertical interconnection has a simple structure and good performance,which can be widely used in 3D integration of MMW microsystems.

millimeter wave microsystem;vertical interconnection;ball grid array(BGA);3D integration

10.3969/j.issn.1001-893x.2017.07.016

张先荣.一种低损耗毫米波垂直互联设计[J].电讯技术，2017,57(7):825-829.[ZHANG Xianrong.Design of a low loss millimeter wave vertical interconnection[J].Telecommunication Engineering,2017,57(7):825-829.]

2017-04-01；

2017-06-05 Received date:2017-04-01；Revised date：2017-06-05

中国西南电子技术研究所发展创新基金(H15028)

TN405.97

A

1001-893X(2017)07-0825-05

张先荣(1975—)，男，四川富顺人，2009年和2013年于电子科技大学分别获硕士学位和博士学位，现为工程师，主要研究方向为毫米波电路与系统、微系统集成技术等。

Email:zxrhappy205@126.com

**通信作者：zxrhappy205@126.com Corresponding author：zxrhappy205@126.com