BGA在射頻寬帶頻綜SIP中的應(yīng)用

張學(xué)仁

(中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊 050051)

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，電子產(chǎn)品向小型化、輕薄化、高性能、多功能方向發(fā)展，電路封裝I/O數(shù)目不斷增多，集成度越來越高，為適應(yīng)這一技術(shù)發(fā)展的要求，包括晶圓級封裝、3D封裝、系統(tǒng)級封裝（SIp）等先進(jìn)高密度封裝技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。其中SIp技術(shù)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于數(shù)字或低頻電路中。它具有互連密度高、互連一致性好、互連間距小、組裝占用面積小和生產(chǎn)成本低等突出優(yōu)點(diǎn)。頻率源作為電子系統(tǒng)中不可或缺的基本模塊，被廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)、電子對抗等領(lǐng)域。其中寬帶頻率源產(chǎn)生也同樣面臨小型化、薄型化以及高密度等挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)基于射頻電纜和連接器的方式已經(jīng)難以滿足集成要求。將SIp技術(shù)應(yīng)用于寬帶射頻頻率源設(shè)計(jì)當(dāng)中，將為頻率源高隔離、小型化、寬帶傳輸提供一種重要的解決方案。本文通過采用SIp技術(shù)進(jìn)行寬帶射頻互連設(shè)計(jì)和寬帶頻率源電路設(shè)計(jì)，研制出一款超寬帶、低相噪、低雜散、小型化的頻率源，驗(yàn)證了SIp技術(shù)在0.8～18GHz的頻率范圍內(nèi)具有良好的寬帶射頻傳輸性能及信號隔離功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)字、低頻信號與射頻信號混合垂直互連系統(tǒng)集成。

1. BGA寬帶射頻仿真設(shè)計(jì)

1.1 BGA射頻互連仿真驗(yàn)證

BGA(ball grid array)球柵陣列技術(shù)是以錫球陣列取代引線框架的封裝工藝。它的輸入輸出端口以圓形或柱狀焊點(diǎn)按陣列形式分布在基板下面，具有引腳數(shù)量高、電氣和物理特性良好、生產(chǎn)成本低的特點(diǎn)，尤其對于射頻領(lǐng)域電磁兼容性能極其優(yōu)異。在結(jié)構(gòu)上，BGA主要由芯片、基板和錫球組成。

SIp頻綜系統(tǒng)中，BGA球的射頻性能對信號傳輸具有至關(guān)重要的作用。本文通過圖1所示的Z型對稱結(jié)構(gòu)模型研究BGA的寬帶射頻互連性能。在該模型中，傳輸路徑包含一個BGA錫球、兩段共面波導(dǎo)和一段基板內(nèi)部的垂直互連。這種設(shè)計(jì)方法可減小信號在基板內(nèi)的傳輸損耗，同時避免上下基板之間的串?dāng)_影響，以盡可能準(zhǔn)確反映BGA本身的傳輸性能。

通過模型進(jìn)行仿真，得到其仿真結(jié)果如下圖2所示，其中圖2為輸出駐波曲線。由仿真結(jié)果可得，BGA射頻互連在0.5～30GHz內(nèi)同樣能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)異的射頻傳輸性能，其中S21優(yōu)于-0.6dB，S11優(yōu)于-15dB，輸出駐波優(yōu)于1.3，完全可以滿足寬帶射頻系統(tǒng)的垂直互連需求。

1.2 BGA電磁兼容仿真驗(yàn)證

頻率源中包含參考信號、數(shù)字控制信號、直流偏置信號和射頻信號等多種類型信號，頻率源電路布局設(shè)計(jì)時，將數(shù)字控制和電源處理電路分布在射頻電路周圍且與射頻信號不交叉，減少對射頻信號的干擾，此外，頻率源內(nèi)部的分頻信號、參考信號通過錫球隔腔的方式屏蔽隔離，保證頻率源的電磁兼容性能。

為了驗(yàn)證屏蔽腔對射頻信號的屏蔽效果，利用仿真軟件建立植球腔體模型，射頻信號通過上層基板的垂直互連錫球饋入，測試輸出帶線的輻射串?dāng)_，其輸入頻率為0.5-30GHz。

仿真結(jié)果為在0.5-30GHz頻率范圍內(nèi)，帶線輻射到的串?dāng)_為-125dB以下，隔離效果極佳，其電磁場分布如圖3所示，結(jié)果顯示射頻信號主要能量被限制互連錫球組成的腔體內(nèi)。因此，通過錫球隔離，可以大大提高頻率源的電磁兼容性能。

圖3 隔腔屏蔽仿真結(jié)果

2. BGA寬帶頻綜SIP設(shè)計(jì)與測試

2.1 寬帶頻綜電路方案

頻綜系統(tǒng)中首先實(shí)現(xiàn)10～20GHz、10MHz步進(jìn)單環(huán)鎖相輸出，主要由鑒相器、控制器、環(huán)路濾波器、分頻器以及負(fù)阻VCO電路構(gòu)成。負(fù)阻VCO的反饋信號通過鑒相器的N分頻后與參考信號通過鑒相器R分頻后進(jìn)行鑒相，通過內(nèi)部電荷泵輸出鑒相后的Up和DOWN電流脈沖，通過環(huán)路濾波器積分后，輸出穩(wěn)定的直流電壓用于調(diào)諧負(fù)阻VCO?；谪?fù)反饋的調(diào)節(jié)原理，最終將負(fù)阻VCO鎖定在需要的頻率上。

鎖相環(huán)后經(jīng)過通道分頻、可控衰減、放大等處理，實(shí)現(xiàn)0.8-18GHz、10MHz步進(jìn)頻率輸出。校準(zhǔn)源通道首先通過兩級1/2/4/8分頻器，將頻率擴(kuò)展至0.8～18GHz。內(nèi)部通過開關(guān)、數(shù)控衰減器、寬帶放大器等關(guān)鍵芯片實(shí)現(xiàn)寬帶頻率源的輸出功率，實(shí)現(xiàn)方案如圖4所示。

圖4 鎖相源電路設(shè)計(jì)

2.2 寬帶頻綜SIP

基于鎖相環(huán)基本原理和仿真優(yōu)化結(jié)果，本文設(shè)計(jì)出一款SIp封裝形式頻率范圍覆蓋0.8～18GHz寬帶頻綜，外形尺寸為24*24*3.8mm，該寬帶頻綜以錫球BGA輸出方式實(shí)現(xiàn)射頻、控制以及電源的聯(lián)接，疊層焊接后的試驗(yàn)件實(shí)物如下圖5所示。

圖5 試驗(yàn)件實(shí)物圖

3. 測試結(jié)果

針對寬帶頻綜SIp，主要關(guān)注的指標(biāo)為頻綜相位噪聲、輸出功率和不同頻率間的串?dāng)_，圖6為頻綜系統(tǒng)輸出18GHz信號的相位噪聲達(dá)到-88dBc/Hz@10kHz，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。輸出的信號功率波動如圖7所示，從圖中可以看出，在0.8～18GHz頻率范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)輸出功率與測試輸出功率損耗小于1.3dB， BGA射頻傳輸方式可以滿足寬帶射頻系統(tǒng)的垂直互連需求。

圖6 18GHz信號相位噪聲

圖7 輸出功率設(shè)計(jì)值與實(shí)測值對比圖

圖8 電磁兼容性能

對于寬帶頻綜，分頻信號和雜波信號的串?dāng)_是影響頻綜性能的重要因素，試驗(yàn)件內(nèi)部包含固定分頻器和控制電路，通過測試，分頻抑制指標(biāo)和雜波指標(biāo)可達(dá)到-70dB，體現(xiàn)出BGA方式在滿足系統(tǒng)小型化的同時，兼顧電磁兼容方面的性能，大大降低整機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度。

4. 結(jié)語

本文從射頻寬帶頻綜小型化、多功能化應(yīng)用需求出發(fā)，首先通過對基板BGA射頻垂直互連進(jìn)行建模仿真設(shè)計(jì)及BGA的電磁兼容性能進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證，確保BGA在0.5～20GHz頻率范圍內(nèi)能夠具有優(yōu)異的射頻性能及信號屏蔽效果，通過實(shí)物試驗(yàn)件寬帶頻綜SIp驗(yàn)證了這一結(jié)果。結(jié)果顯示，BGA在垂直互連傳輸性能完全能夠滿足寬帶射頻系統(tǒng)需求，且其電磁兼容性能大大優(yōu)于常規(guī)封裝形式。其設(shè)計(jì)方法和結(jié)構(gòu)形式對改變射頻系統(tǒng)集成和互連形態(tài)，具有重要的指導(dǎo)和借鑒意義。