一種Ka頻段0.50 mm節距CQFN陶瓷外殼的實現

王 軻，喬志壯，李明磊，周揚帆，左漢平，王 燦

（中國電子科技集團公司第十三研究所，石家莊 050051）

微波器件的頻率決定分辨能力，帶寬決定信息處理容量，這些特性決定其在武器裝備中的核心地位。外殼作為器件和電路的主要載體，已不僅僅提供機械支撐、物理保護和簡單的電互連功能，正逐漸成為器件和電路高頻信號傳輸實現、熱耗散管理和可靠性保障的關鍵組成部分，是器件和電路發揮性能的重要保障。沒有高性能、高可靠外殼的支撐，微波器件無法順利實現應用。

QFN（方形扁平無引腳）封裝外殼因其內部引線與焊盤之間的傳輸路徑短、寄生參數小、電阻小和體積小等優點[1-2]，目前大多數高頻GaAs放大器、混頻器、移相器和開光等微波芯片的封裝均采用QFN形式，并廣泛應用于雷達、通信等領域。

目前國外廠家，如HITTITE、ADI等的高頻器件多采用塑封QFN形式，為了實現小型化、高集成化，節距多采用0.50 mm，頻率可達Ka頻段甚至更高。而相同節距的CQFN陶瓷外殼只能覆蓋X頻段，更高頻率的0.50 mm節距CQFN陶瓷外殼設計與制作鮮有報道。

本文通過改進CQFN陶瓷外殼的傳輸結構、優化地孔排布方式等方法，研發了一款0.50 mm節距的陶瓷外殼，其應用頻率可達Ka頻段。該外殼屬于表面貼裝的CQFN外殼，具有微波性能好、集成度高、可靠性高和使用方便的優點，這種設計方法可以廣泛應用于高頻封裝領域。

1 外殼設計

1.1 結構設計

根據用戶芯片布局、射頻輸入輸出端口位置，確定芯片安裝區的尺寸和鍵合指排布，然后根據用戶使用方式，確定外形尺寸及互連關系，并在有限空間內進行布線設計，實現外殼內外的電互連及可靠性保護功能[3]。

本文設計的CQFN陶瓷外殼材料采用Al2O3，外形尺寸為4.0 mm×4.0 mm×0.75 mm，共有8個功能管腳，其中3個射頻管腳、5個直流管腳，可實現放大器和混頻器的安裝。與國外塑封節距相同，均為0.50 mm，可實現PCB焊盤的原位替換。通過金錫熔封工藝實現氣密，保證可靠性[4]。外殼的三維結構如圖1所示。

圖1 陶瓷外殼三維結構圖

1.2 射頻傳輸設計

常見射頻傳輸線有微帶線和帶地共面波導線。相較微帶線，帶地共面波導線可有效抑制雜散模式傳輸，減少輻射損耗，減少干擾諧振及控制色散，因此在高頻領域多采用帶地共面波導線作為傳輸形式[3]。本產品應用頻段可達Ka頻段，因此計劃采用此結構進行仿真設計。

1.2.1 寬帶傳輸匹配設計

（1）垂直傳輸方式匹配性。微波信號垂直傳輸可通過陶瓷內部實心孔或側面空心孔。側面空心孔能方便板級焊接對位，提高焊接強度、方便焊接質量檢查，為常見設計。下面在節距0.50 mm分別仿真對比信號通過側面空心孔傳輸（無內部實心孔）和內部實心孔傳輸（有側面空心孔）這2種傳輸方式微波性能的差別，為簡化仿真模型，縮短仿真時間，均進行單端口仿真（圖2）。

圖2 不同傳輸方式仿真模型

從圖3看出，通過側面空心孔傳輸方案（無內部實心孔）微波指標明顯優于實心孔傳輸方案（有側面空心孔）。主要原因為通過實心孔傳輸方案，側面空心孔的存在會導致其阻抗偏低，導致阻抗不一致，影響整體回波損耗。因此本產品的射頻垂直傳輸計劃采用側面空心孔，既能實現信號傳輸，也能增強板級焊接強度。

圖3 不同傳輸方式仿真S參數對比

（2）空心孔直徑匹配性。通過上節研究決定采用空心孔傳輸，在Ka頻段，空心孔直徑為影響射頻指標的關鍵因素，下面分別仿真對比直徑0.15、0.20、0.25和0.30 mm空心孔直徑的微波性能[5]（圖4—圖5）。

圖4 不同空心孔直徑的仿真S參數對比

圖5 不同空心孔直徑的仿真TDR對比

從圖4—圖5看出，在Ka頻段直徑0.15 mm和0.20 mm的空心孔微波性能差別不大，但隨著空心孔直徑的繼續變大，在Ka頻段回波損耗逐漸變差，插損逐漸變大，主要是因為空心孔變大導致空心孔處阻抗逐漸變低，整個通路阻抗一致性逐漸變差。由此看出小尺寸空心在低頻段會得到較好的阻抗匹配特性，較好的回波損耗。考慮到較小的空心孔帶來加工工藝難度上升，綜合仿真結果，本產品計劃采用直徑0.20 mm的側面空心孔來實現射頻的垂直傳輸。

1.2.2寬帶諧振抑制設計

（1）地孔間距。本產品射頻傳輸端口計劃采用共面波導結構。此結構通過在射頻走線兩側排布大量地孔，將參考地互聯，于是地孔密集程度（即地孔間距）對實現高頻至關重要?？s小地孔間距可以抑制諧振，提高隔離度，但過度縮小地孔間距會增加工藝難度，提高工藝復雜性。因此首先研究地孔間距與頻率的關系，為簡化模型，仿真采用一線寬與本產品相同的共面波導線（圖6）。

圖6 帶狀線結構模型

在線寬0.24 mm，射頻線與兩側地距離0.14 mm，介質厚度0.50 mm情況下，仿真不同地孔（陶瓷內部實心孔）間距對帶狀線射頻性能的影響。

從圖7和表1看出隨著地孔間距的不斷縮小，應用頻段逐漸變寬，相應也會導致工藝難度提高。綜合工藝難度和頻率特性，以及仿真指標的富裕量，決定本產品選擇地孔間距等于2倍孔直徑的方案。

圖7 不同地孔間距的共面波導線仿真結果

表1 不同地孔間距的共面波導線應用頻段

（2）封口面接地方式。從上節看出，在高頻下密集接地至關重要，為實現Ka頻段的傳輸，地孔間距需要小于等于2倍孔徑，陶瓷內部地孔可實現此要求，但若實心孔距離陶瓷側邊小于等于2倍孔徑的話，因燒結過程中陶瓷與孔金屬收縮率不一致，容易引起孔裂，于是可在側面設計空心孔，使封口面直連背面焊盤，此結構可增強封口面的接地效果，圖8為封口面采用側面空心孔接地和采用陶瓷內部實心孔的微波對比仿真。

圖8 封口面不同接地方式仿真模型

從圖9對比看出，無側面空心孔直連封口面結構，而是采用內部排布實心孔的方案在38 GHz處出現明顯諧振，導致插損急劇增大。而采用側面空心孔直連封口面結構的仿真在50 GHz以內無明顯諧振，滿足Ka頻段的要求。

圖9 封口面不同接地方式仿真S參數對比

1.2.3 整體電磁兼容設計

射頻傳輸用外殼布線密度高，走線復雜，陶瓷層數增加導致的層間厚度減小等因素，會引起電磁兼容問題。涉及高頻的微波信號傳輸時就必須要考慮電磁兼容問題，在所有的電磁兼容問題中，因屏蔽效果差，高頻信號耦合到其他端口，從而導致能量損失是非常普遍的，值得引起足夠的重視。

避免信號耦合最好的辦法是增加屏蔽效果和增大相鄰傳輸線的間距。在實際布線中可以增大鋪地區域，從而減少信號耦合。

以本外殼為例，分別仿真不同鋪地效果同時也導致不同功能管腳數量，對整體射頻傳輸路徑進行仿真分析（圖10）。

圖10 不同布局的外殼模型

從圖11—圖12看出，較多的功能管腳會壓縮有效鋪地面積，導致隔離度變差，高頻信號耦合至相鄰管腳，導致能量損失。

圖11 不同布局的外殼仿真S參數對比

圖12 不同布局的仿真電場對比

功能管腳少方案外殼雙端口板級仿真結果在40 GHz以內回波損耗小于-15dB，插入損耗小于0.8 dB，雙端口仿真結果可滿足指標要求。

2 外殼加工

本文中外殼通過HTCC高溫共燒陶瓷工藝加工而成，其中陶瓷材料為Al2O3，導體材料為金屬鎢。經沖孔、填孔、印刷、層壓及熱切形成生瓷件，經燒結形成熟瓷件，再經過鍍鎳、鍍金形成成品。主要加工工藝流程如圖13所示。

圖13 主要加工流程圖

3 外殼微波性能測試

在外殼芯區安裝50 Ω直通微帶線，并通過金絲鍵合方式連接外殼的輸入輸出鍵合指。選用厚度0.338 mm的印制板，將鉛錫焊膏通過漏網印刷于印制板上，然后將外殼安裝在電路板上，置于回流爐中，使外殼與印制板焊接在一起，實現互聯。

利用矢量網絡分析儀，采用微波探針臺搭配探針和校準件對外殼進行雙端口微波性能測試[6-7]（圖14）。

圖14 本產品在板測試過程

從圖15看出，在10 GHz~40 GHz，外殼整個通路的S11小于等于-13 dB，S21大于等于-1.5 dB，帶內無諧振點，滿足用戶使用要求。由此看出，該結構具有優異的微波傳輸特性。

圖15 本產品在板測試曲線

4 外殼可靠性驗證

按GJB 1420B—2011《半導體集成電路外殼通用規范》的主要內容對本外殼進行可靠性試驗，試驗方法和條件主要是參照GJB 548B—2005《微電子器件試驗方法和程序》執行，試驗結果見表2。所有試驗均合格。

表2 外殼可靠性試驗內容和結果

5 結束語

本文提出了一種可達Ka頻段的0.50 mm節距高頻CQFN陶瓷外殼。外殼射頻傳輸端口采用共面波導結構，垂直傳輸選用小尺寸側面空心孔技術，實測在DC~40 GHz頻段內外殼整個板級傳輸路徑插入損耗在1.50 dB以內，回波損耗在-13 dB以下。外殼外形尺寸4.0 mm×4.0 mm，節距與常見塑封QFN相同，均為0.50 mm，可實現塑封轉陶封的原位替換。同時依據GJB1420B—2011驗證了外殼的可靠性，結果均合格。

因此該外殼具有高頻性能好、可靠性高、體積小及與塑封焊盤兼容的特點，適合批量化生產，可廣泛應用于高頻陶瓷封裝領域。