40GHz垂直傳輸無引線表面貼裝外殼

喬志壯 劉林杰 王軻

摘? 要：文章提出了一種40GHz垂直傳輸無引線表面貼裝外殼，外殼射頻傳輸端口采用垂直過孔傳輸，過孔采用空心結構，采用空心過孔傳輸結構可提高“芯占比”。該射頻傳輸結構包括接地共面波導線-空心過孔-接地共面波導線，通過優化各個不連續處的結構，使外殼應用頻率達到40GHz，兩個端口的板級測試插損在1.5dB以內，同時該外殼通過了環境和機械試驗。該外殼具有優異的高頻傳輸特性和高可靠性。

關鍵詞：表面貼裝;無引線;芯占比;陶瓷封裝

中圖分類號：TN405? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）35-0079-02

Abstract： In this paper， a kind of 40GHz vertical transmission lead-free surface mount shell is proposed. The shell RF transmission port adopts vertical through-hole transmission， the through-hole adopts hollow structure， and the hollow through-hole transmission structure can increase the "core ratio". The RF transmission structure includes grounded coplanar wave conductor-hollow through hole-grounded coplanar wave conductor. By optimizing the structure of each discontinuity， the application frequency of the shell is up to 40GHz， and the board-level test loss of the two ports is less than 1.5dB. At the same time， the shell has passed the environmental and mechanical tests. The shell has excellent high frequency transmission characteristics and high reliability.

Keywords： surface mount; no lead; core proportion; ceramic packaging

1 概述

隨著互聯網和移動通信的快速發展，高頻高速傳輸系統要求提高傳輸速率。毫米波系統在無線局域網、點對點通信、衛星通信等無線局域網等新領域中發揮著重要的作用。單片微波集成電路（MMIC）是這種毫米波系統的關鍵有源器件，其封裝也面臨著高可靠性、小型化、高“芯占比”、低成本、大規模生產以及高頻信號傳輸的要求[1]。

近年來已有一些學者對毫米波領域的垂直傳輸結構進行過研究，多數是基于低溫共燒陶瓷（LTCC）技術，LTCC封裝材料成本高，不利于批量生產[2]。為實現低成本和批量生產，滿足毫米波應用的高頻性能要求，本文提出了一種基于高溫共燒陶瓷（HTCC）的新型表面貼裝陶瓷外殼，最高頻率可到40GHz。為實現更大的“芯占比”，該傳輸形式采用空心垂直傳輸結構。

本文中外殼的輸入和輸出端口采用接地共面波導結構，垂直傳輸過孔采用空心金屬過孔結構，以此來提高封裝外殼的“芯占比”。本文描述了將基于HTCC封裝材料的外殼傳輸頻率擴展到40GHz的方法，同時驗證了外殼自由態的可靠性以及二次安裝的板級可靠性。

2 高頻結構設計

外殼應用時，內部芯片通過金絲鍵合方式，從芯片鍵合點鍵合到外殼鍵合指上，實現芯片與封裝外殼級的互連，然后將裝配后的外殼貼裝在印制電路板上，實現封裝后器件與板級的互連。圖1給出了空心過孔垂直傳輸結構示意圖。

采用基于時域有限差分算法的三維電磁仿真軟件HFSS建立了射頻傳輸結構的仿真模型，如圖2所示，模型中包括鍵合絲、印制板、陶瓷傳輸端子、傳輸線。信號傳輸線選用接地共面波導結構，便于探針測試。利用HFSS軟件對外殼內部的共面波導線的寬度、與地之間間隙、過孔的直徑、背面與板級焊接處的共面波導的圖形進行優化。由于鍵合絲鍵合處會引入電感效應，引起阻抗失配，因此，我們將射頻信號線的線寬加寬，補償鍵合絲的電感效應。得到了性能優異傳輸損耗最小的傳輸結構。

將該高頻傳輸結構運用到外殼結構設計中，我們設計了一款無引線表面貼裝外殼，外殼外形尺寸設計為7mm×7mm方形結構，由三層氧化鋁陶瓷結構層組成。該外殼引出端有兩個射頻端口和8個直流端口。芯片安裝區尺寸為5mm×5mm，“芯占比”達到70%以上。采用多層高溫共燒氧化鋁陶瓷和鎢金屬化系統制備了外殼樣品。采用鎢金屬化漿料絲網印刷工藝進行圖形印制，然后在鎢金屬化表面鍍覆鎳金。

3 外殼性能測試

選用印制板厚度為0.254mm的羅杰斯RO4350B板材，裝配時將鉛錫焊膏印在印制板上，然后將外殼安裝在印制電路板上，置于氮氣氣氛的回流爐中，使外殼與印制板焊接在一起，實現互連。

將外殼芯片安裝區裝配微帶線，并采用金絲鍵合方式實現兩個射頻端口之間的互連，采用矢量網絡分析和配套的探針臺以及探針對裝配后外殼進行測試，探針選用500微米節距。樣品S參數測試曲線如圖3所示。從測試結果可看出，該外殼應用頻率可覆蓋DC～40GHz，在40GHz帶寬內，雙端口板級測試可滿足S11？燮-15dB，S21？叟-1.5dB。

可看出，該空心垂直傳輸結構外殼具有優異的傳輸特性。

4 可靠性驗證

4.1 外殼自由態可靠性驗證

隨機抽取外殼樣品，樣品采用金屬蓋板進行金錫合金熔封，封口后分別進行環境試驗和機械試驗驗證，包括溫度循環、熱沖擊、機械振動、恒定加速度試驗。通過氣密性檢驗和外觀檢驗作為外殼失效的判據。氣密性判據要求小于1.0×10-9Pa·m3/s，試驗條件和試驗結果見表1。

4.2 二次安裝板級可靠性驗證

器件工作時的熱循環會產生較大的應力，若材料之間熱膨脹系數不匹配會引起微電子電路和器件的熱疲勞失效。外殼的材料為氧化鋁陶瓷，其熱膨脹系數（CTE）值處于7～8×10-6/K之間，工業上常用的印制線路板材料的CTE值卻高達15～21×10-6/K，如此高的熱不膨脹不匹配，一方面在回流焊過程中產生較大的殘余應力，同時在隨后的溫度載荷加載過程中，溫循應力和回流焊殘余應力疊加，會造成產品失效加速，顯著的降低焊點的熱疲勞壽命[3]。

外殼與板級焊接采用的Sn-37Pb鉛錫焊料熔點為183℃，是低熔點金屬，其變形行為與溫度和時間（或速率）有關，為粘塑性變形，通常表現為蠕變和應力松弛。在溫度循環過程中焊點危險位置最大應力值出現在低溫保溫開始階段，此時最容易出現焊點開裂失效。

錫鉛焊點的失效模式主要是低周疲勞失效，壽命模式主要用修正的Coffin-Manson方程（簡稱C-M方程）來表征，即材料的低周疲勞壽命（Nf）和塑性應變范圍（Δε）之間符合如下經驗關系：

式中，Nf-熱疲勞失效的平均壽命（cycle）;Δγ-等效非彈性剪切應變范圍，Δγ =1.732Δε，Δε為等效非彈性總應變范圍;εf-疲勞韌性系數=0.325;系數c一般為負數，需要根據實驗具體修訂。運用ANSYS軟件建立了該外殼的板級安裝有限元模型。見圖4所示。裝配了相應的樣品進行板級溫循試驗，溫循條件為-65℃～150℃，該外殼板級樣品可經受500次以上熱疲勞。

5 結束語

這篇文章提出了一種高傳輸性能、高可靠性和高“芯占比”的垂直傳輸表面貼裝陶瓷外殼。外殼傳輸端子采用空心垂直傳輸和共面波導結構。在DC～40GHz頻帶內外殼整個板級傳輸路徑插入損耗在1.5dB以內。同時我們驗證了外殼環境可靠性和機械可靠性。另外還對外殼的二次板級安裝可靠性進行了分析驗證。因此，該外殼具有優異的傳輸特性和高可靠性，且成本低，適合批量化生產。

參考文獻：

[1]Yoshida， K.， Shirasaki， T.， Matsuzono， S.， and Makihara， C， 50 GHz broadband SMT package for microwave applications[J]. Electronic Components and Technology Conference， 2001，744-749.

[2]廖志偉.微電子封裝技術探討[J].計算機產品與流通，2020（02）：150.

[3]蔣長順，仝良玉，張國華.HITCE陶瓷陣列封裝板級互聯可靠性研究[J].電子與封裝，2018，18（1）：1-4.