微波裸芯片臨時封裝夾具微波信號傳輸的優化

徐麗， 黃云， 周斌

（1.華南理工大學，廣東 廣州，510640；2.工業和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州，510610）

0 引言

由于GaAs MMIC在通信系統及軍用電子系統中的應用，市場對高可靠性微波裸芯片的需求日益迫切。在已知良好芯片（KGD：Know Good Die）技術研究及應用的推動下，對裸芯片可靠性的研究朝著高頻、高速信號芯片的方向發展。本文針對MMIC的測試與老煉，研制了一套臨時封裝測試夾具，用于對特定的微波功率放大器進行KGD實驗。

要實現分立微波裸芯片的KGD保證技術，關鍵是臨時封裝夾具系統的設計。封裝夾具主要對芯片起到機械保護和電氣連接的作用。作為微波傳輸系統的重要組成部分，微波傳輸線是夾具系統設計中需要重點考慮的環節。本設計針對微波信號傳輸線，主要考慮了兩個問題，首先是根據微波頻率來選擇合適的傳輸線，再是保證傳輸系統的匹配，減小信號傳輸的不連續，使夾具在測試和老煉時具有良好的信號完整性。選擇合適的傳輸線，相當于選擇了合適的傳輸管道類型，信號才能得到順暢的流通；合理地考慮傳輸匹配則是將各管道連接起來，并對連接處進行恰當的處理。

1 傳輸線的設計與優化

微波傳輸不同于普通電信號的傳輸，普通信號的傳輸線只需要考慮電阻和功率消耗，而對于微波傳輸，由于頻率的上升，傳輸線的寄生參數如電容電感特性變得很重要，因而引入了分布參數理論。傳輸線的形式有很多種，其中平面導波系統是為適應微波集成電路而出現的。平面傳輸線最重要的傳輸線參量是特性阻抗和有效介電常數。

實驗所用的微波功率放大芯片的輸入輸出電路都匹配到了標準的50Ω，應用時只需嚴格控制線路阻抗，即使用50Ω的微波傳輸線，就能達到信號完整性要求。計算傳輸線特性阻抗的方法主要有3種：理論公式計算法、曲線圖解估算法和軟件模擬法。除了以上3種設計思路，傳輸線設計時還應充分考慮線寬對阻抗的配合性和實際的加工精度，因此在傳輸線的實際制作中，需要參考PCB加工商所提供的設計方案。

微帶線是應用最普遍的傳輸線，它具有價廉、體積小、容易與有源器件集成，生產中重復性好，與單片微波集成電路兼容性好等優點。相比微帶線，共面波導（CPW：Co-Planer Waveguide）的導體條帶和接地板在同一個平面，具有更低的損耗[1]。而且微波在片測試探針上常使用共面波導形式的微波傳輸線，本設計中為了得到更好的信號傳輸特性，使用了與之相近的導帶兩邊有地線的微帶線結構。

背面接地的共面波導傳輸線截面圖如圖1（a）所示，綜合考慮傳輸線的理論計算、軟件計算和加工制作工藝，最終確定本設計使用的微帶線結構如圖1（b）所示，中間的線路為信號線，兩邊線路為地線，圓柱形為地線與基板背面覆銅層的通孔。仿真參數為 H=50μm， T=18μm， εr=3.4， W=100μm， G=150μm。

使用三維電磁仿真軟件（HFSS），仿真驗證其傳輸特性，得到圖2。圖2（a）為S參數仿真結果，紅色曲線為S21，藍色曲線為S11。由圖可知，在2～6GHz內，回波損耗S11在-15dB以下，插入損耗S21在-1dB以上，圖2（b）為傳輸線的特性阻抗仿真結果，由于將傳輸線看作是雙端口網絡，圖中兩條曲線分別為傳輸線的兩個端口的特性阻抗，由圖可知傳輸線特性阻抗基本在49～51Ω之間，保證了這段傳輸線端接50Ω的負載時反射系數的絕對值在1%之內。以上分析說明，本文設計的傳輸線符合良好微帶線的傳輸性能要求。

2 不連續處信號完整性問題及其優化

信號傳輸的連續性即傳輸阻抗的連續性。阻抗恒定通常意味著一致的幾何特性，同平面上的傳輸線能夠較好地控制特性阻抗，互連轉接的位置是阻抗變化突出的地方且難以控制。信號傳輸的不連續性主要分為：傳輸線內部、不同傳輸線轉換及設備互連。信號在傳輸中的不連續將帶來信號完整性問題。本測試夾具設計了兩個互連基板，一個是倒扣于芯片上方、將芯片pad上的信號引出的芯片電信號連接襯底，另一個是將倒置襯底的信號轉接并引出到外圍測試電路的外圍來連接襯底。下文將針對夾具中的3種不連續性分別進行優化設計。

2.1 微波傳輸線內部不連續問題的優化設計

圖3（a）為微波夾具兩個互連襯底信號線連接處的設計示意圖，外圍襯底的信號線在兩襯底的互連處設計了一個焊盤以加強接觸的可靠性。然而焊盤的設計和互連金絲球凸點的引入，給信號傳輸加入了不連續因素。焊盤比信號傳輸線更寬，線寬的突變等效于串聯電抗，金絲球凸點等效串聯電感，而兩個互連襯底的重合處等效耦合電容，焊盤的開路段可等效并聯電容。

由于實驗夾具的限制，無法徹底消除信號傳輸線的不連續影響，只能通過優化傳輸結構而使其不連續影響被控制在可以接受的范圍內。例如：焊盤線寬的加大導致焊盤處的特性阻抗值變小，通過去除焊盤下方的鋪地從而使焊盤處的傳輸線變為背面無鋪地的共面波導結構，可以適當地提高焊盤的特性阻抗值；焊盤兩邊仍保留地線，并且兩個襯底的地線在兩襯底互連處通過金絲球凸點連接，這樣做可以一定程度地減小插入損耗，抑制不需要的模式[3]。

通過HFSS建模可以仿真并驗證傳輸結構的優化對傳輸性能的改善。仿真數據如圖3（b）所示，S11和S21分別是優化后的回波損耗和插入損耗，S11-1和S21-1是優化前的。S11等于0dB表示完全失配，等于-∞dB表示完全匹配，在實際電路中，低于-20～-15dB是很好的匹配；S21表示1進2出的信號，等于0dB表示信號1進全從2出，等于-3dB表示有一半信號到達2端口，等于-∞表示無功率到達2端口，正值對應放大器產生的增益[4]。由圖可知，經過對兩襯底的互連處進行結構優化，互連處得到了更好的微波傳輸性能。

互連等效電路的提取方法是，根據HFSS電磁仿真中得到的S參數由該軟件直接輸出傳輸結構的集總元件模型，或者根據仿真得到的Smith chart轉換出RLC等效模型，然后在先進設計系統（ADS）軟件中建立電路模型，設置相應的參數初始值通過優化工具得到RLC的具體參數值，仿真傳輸特性曲線，使ADS中的等效電路得到的S參數曲線逼近HFSS所得的曲線，使得兩曲線誤差不超過5%，從而提取等效電路，最終確定互連結構的等效阻抗參數值[2]。根據上述方法得到兩襯底互連結構的RLC等效電路如圖3（c）所示。圖3（d）為該等效電路的傳輸特性與HFSS建模仿真中的傳輸特性的比較。由圖可知，兩條曲線的誤差在允許范圍內，該等效電路能夠較準確地反映三維電磁仿真中的襯底互連結構的等效寄生參數。

2.2 信號轉接處不連續問題的優化設計

外圍電連接襯底與同軸線間的信號轉接由SMA接頭實現，此位置將發生信號不連續傳輸。圖4（a）為信號轉接互連的仿真結構圖，同軸連接器與微帶線轉接口處微帶線寬的加大，形如貼片天線，產生能量輻射并引入插入損耗，通過端口處雙層覆銅板地層的處理可以一定程度地減小損耗，設計中把焊盤處下方的鋪地銅層去除也可有效地改善傳輸性能。圖4（b）為結構優化前后的S參數仿真結果。S11和S21分別是優化后的回波損耗和插入損耗，S11-1和S21-1是焊盤兩邊無地線的結構，S11-2和S21-2是焊盤背面有鋪地的結構。由圖可見，優化后的結構極大地改善了SMA信號轉接的S參數，使其S11小于-15dB，S21大于-1dB，符合良好傳輸線的要求。

2.3 設備互連不連續問題的優化設計

本文中設備互連是指MMIC芯片到基片之間的連接，即芯片到夾具系統PCB傳輸線的連接。此連接是通過焊料凸點來實現的。焊料凸點常呈感性。在此夾具中，芯片正放于夾具中央，芯片信號電連接襯底倒扣在芯片上，可以看作為倒置的封裝結構。微波芯片封裝的相關文獻中研究了倒裝互連焊點的傳輸特性，焊點的高度越高，直徑越小，回波損耗和插入損耗越小，傳輸性能也越好[5]；焊點高度對芯片信號傳輸的影響顯著，使用金焊點能夠降低焊點高度對傳輸特性的影響[6]。以上結論均能在HFSS中建模仿真并得出相同的結果。

3 臨時封裝夾具整體的微波信號傳輸特性

在優化夾具微波信號傳輸中的不連續處后，將傳輸結構整合并通過HFSS建模仿真，能在一定程度上直觀地反映本設計的微波信號傳輸性能。整體建模時還可加入一些實際工藝的考慮，如PCB表面綠油、焊盤設計，使仿真結構更逼近真實的夾具系統。圖5為夾具整體的仿真結構及其傳輸特性參數。仿真中的芯片用一段直通的50Ω微帶線代替，在后期實驗中可以制作一段與芯片相同尺寸的50Ω微帶線進行夾具傳輸特性的驗證。仿真結果表明，夾具S11小于-15dB，S21大于-1dB，符合傳輸特性要求。

通過HFSS三維電磁仿真建模和ADS等效電路參數提取可以得到與替代芯片的直通微帶線的傳輸特性及RLC等效電路，如圖6所示。

將前文所得的襯底互連等效電路、SMA接口等效電路以及傳輸線寄生參數等效電路按夾具結構順次連接，可以得到臨時封裝夾具整體的分布參數等效電路。在夾具的整體仿真中，由于芯片尺寸較小，輸入與輸出之間存在耦合電容。在ADS仿真中，傳輸線與芯片的互連以及替代芯片的微帶線部分的等效電路如圖7（a）所示。圖7（b）為兩種仿真中夾具整體在2～6GHz的 S11參數結果比較，由圖可知，ADS得到的等效電路是合適的。

4 結論

鑒于微波傳輸線在微波系統中的重要地位，本文針對微波裸芯片的臨時封裝夾具，通過三維電磁仿真軟件HFSS建立了微波信號傳輸路徑的微波傳輸性能仿真模型，優化了傳輸線的不連續處的結構，從而減小信號完整性問題的影響，并借助電路分析軟件ADS得到傳輸結構相應的分布參數等效電路，以便于對該夾具開展深入的研究。最終得到的傳輸結構在2～6GHz頻段S11小于-15dB，S21大于-1dB，符合良好匹配傳輸線的要求。

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[3]李緒益.微波技術與微波電路 [M].廣州：華南理工大學出版社，2007：80.

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