一種用于HTCC 封裝的DC ～20GHz 頻段垂直互聯結構設計

王晟

（中國電子科技集團公司第十三研究所，河北石家莊，050000）

0 引言

隨著現代通信技術的飛速發展，對通訊電子設備小型化和高集成度要求日益提高，微波、射頻電路的系統功能也日益復雜，這種要求下，對微波器件封裝中傳輸線的結構要求更加精細、布局更加緊湊。隨著高溫共燒陶瓷（High Temperature Cofired Ceramics，以下簡稱HTCC）技術的不斷成熟，HTCC 封裝的多層布線結構具有加工精度高、可靠性高等特點，基于HTCC 工藝的封裝產品在電子設備上廣泛應用。但傳輸線的變化導致在微波頻段內損耗較大，目前應用在封裝內的HTCC 互聯結構在高頻時傳輸性能不理想。

本文采用HTCC 多層布線技術，使用介電常數9.0 的氧化鋁陶瓷作為基材，通過電磁場三維仿真，設計了微帶到帶狀線的垂直傳輸互聯結構，并應用在HTCC 管殼封裝中，同時和PCB 聯合仿真，實際測試結果滿足符合設計要求。

1 微帶到帶狀線傳輸原理

根據微帶傳輸線的模型，微帶線傳輸的主要模型是準TEM 模。運用導波模型傳輸的奇偶規則進行傳輸原理，該原理特性為偶模式不能對奇模式起激勵，奇模式不能對偶模式起激勵，奇偶形式的波不能互相傳遞，如果對信號進行傳輸，一定是同樣模式的波才可完成傳遞。而垂直的通孔以及周圍屏蔽的地孔形成同軸線結構，同軸線及帶狀線其傳輸主要模型均是TEM波，根據TEM 波傳輸的原理，該垂直通孔形成類同軸線結構，微帶線與下層間帶狀線可以進行信號傳播[1]。

2 垂直互聯結構設計仿真

該垂直互聯結構設計目的是射頻信號在多層陶瓷基材間傳輸，正面引腳焊盤與背面引腳焊盤之間的過渡段包含用于傳遞信號的內層帶狀線、用于傳遞信號的側面垂直過渡半孔。內層帶狀線一端連接正面引腳焊盤，另一端與側面垂直過渡半孔連接，側面垂直過渡半孔的另一端與背面引腳焊盤連接，并形成陶瓷基板外側向背面引腳焊盤延伸出的半圓形豁口。陶瓷基板中間的接地孔均勻分布在內層帶狀線周圍，實現不同層的地平面連接，用來降低平行板之間寄生效應，較好的防止能量的輻射損失，還可以增加不同傳輸路之間的隔離度，帶狀線結構如圖1 所示。該接地孔與信號孔共同形成類同軸線結構，改善從微帶線轉為帶狀線阻抗匹配問題[2～3]。

圖1 帶狀線結構圖

信號傳輸路徑為：陶瓷基板正面引腳焊盤→內層帶狀線→側面垂直過渡半孔→陶瓷基板背面引腳焊盤，整體互聯結構如圖2 所示。這樣的多處過渡會造成微波信號的不連續，要實現微波信號的頻率在DC～20GHz范圍內匹配，保證信號在規定頻率范圍內的完整傳輸，首先需要較完備的機理分析，還要通過電磁場仿真的調整對其進行阻抗匹配，通過優化，確保阻抗的連續。

圖2 垂直互聯結構圖

信號傳輸的通孔需按工藝規范進行仿真設計，有可能會偏離50Ω 的阻抗，該垂直過渡結構可能會存在阻抗的不連續，為了將最大的功率傳輸到后級的射頻電路，必須使整體傳輸線與輸入信號源的阻抗相匹配，過渡結構的輸出端也必須采取類似的匹配阻抗。

可以使用帶線模擬電抗元件進行這種阻抗的匹配。因此，可以用帶線模擬串聯或并聯電抗元件到電路中來實現阻抗變換。串聯元件可以讓阻抗沿著史密斯圓圖上的電阻圓轉動，并聯元件可以讓導納沿著電導圓轉動。理論上來說，通過帶線實現電抗元件的阻抗變換，任意阻抗都可以到史密斯圓圖上的預期阻抗匹配點。

按傳輸路徑，保持特征阻抗恒定，內層帶狀線是以HTCC 陶瓷基板內層印制線為導帶、以內層印制線導帶上下兩層接地層為接地面的帶狀線。其特性阻抗為：

內層帶狀線是以HTCC 陶瓷基板內層印制線為導帶、以內層印制線導帶上下兩層接地層為接地面的帶狀線，εr是內層帶狀線介質的相對介電常數，h為內層帶狀線介質厚度，ω為內層印制線導帶寬度，t為內層印制線導帶厚度。

同時為實現信號在廣域頻率范圍內的穩定傳輸，傳輸路徑上都要滿足阻抗匹配要求，特別是信號在水平傳輸線與垂直傳輸線的交界處。為緩解結構突變引起的阻抗失配，通過仿真優化陶瓷基板正面引腳焊盤、內層帶狀線與陶瓷基板背面引腳焊盤的長度與寬度，減小水平引腳焊盤與垂直過渡半孔間的阻抗差異。

對該垂直互聯結構采用電磁場仿真軟件進行仿真，經仿真驗證，該結構信號傳輸的插入損耗和回波損耗如圖3 所示，在DC～20GHz 頻段內插入損耗小于0.5dB，回波損耗大于15dB，信號傳輸過程中的能量損失較小，滿足設計指標要求。

圖3 垂直互聯電磁場仿真結果圖

3 垂直互聯結構在HTCC 封裝中的應用

通過以上理論分析及仿真驗證，將該垂直互聯結構應用于HTCC 管殼封裝中，選用介電常數9.0 的氧化鋁陶瓷材料，材料參數如表1 所示。

表1 HTCC氧化鋁材料

在電磁場仿真軟件中對應用該互聯結構的管殼進行三維仿真。HTCC 陶瓷基板為三層階梯形狀，正面引腳焊盤位于第二層陶瓷階梯上，包含鍵合焊盤、鍵合焊盤與內層帶狀線的過渡段，且為上窄下寬的“凸”字型構件，正面引腳焊盤和背面引腳采用該垂直互聯結構相連，完成微波射頻信號的傳輸，背面引腳焊盤為正方形構件，且基板外側向背面引腳焊盤延伸出半圓形豁口。

通過仿真優化，射頻傳輸焊盤與射頻地焊盤的距離會對射頻信號的傳輸特性形成損耗較大、阻抗失配等影響。所以將板間垂直互連等效為類同軸模式，第一層陶瓷階梯厚度為0.2mm，第二層陶瓷階梯厚度為0.2mm，第三層陶瓷階梯厚度為0.5mm。陶瓷基板正面引腳焊盤的鍵合焊盤為長度0.15mm、寬度0.2mm 的長方形構件，鍵合焊盤與內層帶狀線的過渡段為窄邊寬度0.15mm、寬邊寬度0.2mm 的梯形構件。陶瓷基板背面引腳焊盤為長度0.3mm 的正方形構件，且其半圓形豁口半徑為0.1mm，介質相對介電常數9.0。側面接地垂直過渡半孔及用于傳遞信號的側面垂直過渡半孔孔徑均為0.2mm，側面接地垂直過渡板孔高度為0.8mm。

為結合實際應用，在管殼中放置直通帶線進行仿真，管殼下面為印刷電路板，是表貼封裝的載板，電路板走線采用共面波導，微波信號由外部共面波導傳輸通過該垂直互聯結構傳輸到腔體中的鍵合指上，從而通過金絲鍵合連接器件及電路。管殼和PCB 相結合進行仿真，更貼近實際使用，仿真模型如圖4 所示，經仿真后，仿真曲線如圖5 所示，射頻信號在封裝內經垂直互聯傳輸后，在DC～20GHz 頻段內插入損耗小于0.3dB，回波損耗大于13dB，頻率特性滿足使用要求。

圖4 HTCC 封裝仿真模型

圖5 HTCC 封裝仿真曲線

4 垂直互聯管殼加工

基于上述設計與仿真，加工出該垂直互聯結構的HTCC 管殼，高溫共燒陶瓷（High Temperature Co-fired Ceramics，HTCC）技術當前相對成熟，在汽車電子、移動通信、各種電子裝備等領域存在廣泛應用。其通過數量較多層陶瓷基片通過疊層壓制，陶瓷基片上可印制加工帶狀線、微帶線、共面波導線等微波集成傳輸線，層間通過過孔互聯傳輸，可以大幅提高封裝密度，且生產規模較大、非常適合批量生產。

HTCC陶瓷基板燒結溫度約為1400℃～1500℃，具有較高的化學穩定性，較高的熱導率；較高的集成度，可進行高密度的布線；燒結過程穩定，在燒結過程中使用鎢（W）、錳（Mn）和鉬（Mu）等金屬，但這類金屬導電性較差，需要在該金屬表面鍍鎳（Ni）、金（Au）以起到降低傳輸損耗、保護金屬層、使用時可焊接等作用。

高溫共燒陶瓷加工技術主要工藝包括：

（1）原材料的生產，主要是陶瓷粉與燒結助劑等的配比結合，添加有機溶劑或水基溶劑共同形成陶瓷漿料，接著使用流延工藝生產生瓷帶，經過裁切形成尺寸均勻的陶瓷片。

（2）流延工藝，該工藝為陶瓷粉和非水基粘合劑按照相應比例結合形成均勻的陶瓷漿料，然后通過流延工藝形成致密均勻的生瓷帶。

（3）生瓷件生產環節，該環節是多層共燒陶瓷生產的主要環節，首先按照設計的結構方案對每層陶瓷基片沖孔，接著是在每層陶瓷基片上印刷圖形走線以及填充相應的過孔，每層陶瓷基片進行了印刷填孔工藝就可以把已加工的基片根據設計堆疊在一起，在固定好的壓力參數下層壓在一起，此時已形成生瓷階段的瓷件雛形。通過熱切工藝將瓷件陣列分割成單個瓷件，可以得到一個完整的生瓷件產品，經過檢驗合格后就可以進行燒結，燒結后得到樣品需要進行檢驗檢測等工序，燒結好樣件經過檢驗檢測后，送到下一步工序，進行鍍鎳和鍍金。合格的產品根據方案設計還需要添加引線、密封環、蓋板、球柵陣列、熱沉等其他的工序來形成一個密閉的三維陶瓷封裝結構。

此種垂直互聯結構應用的裝配工藝簡便，管殼陶瓷基板正面引腳焊盤采用金絲鍵合線與內部射頻芯片通過鍵合進行連接，連接時采用GSG 結構，保證信號屏蔽效果。陶瓷基板背面引腳焊盤與PCB 采用標準SMT 工藝流程進行裝配即可，裝配時選擇與仿真相同的PCB 材料及厚度，保證實測接近仿真結果。

5 實際測試

圖6 為實物照片，經測試，實物在DC～20GHz 頻段內插入損耗小于0.5dB，回波損耗大于15dB，能夠很好滿足工程需要。

圖6 實物照片

6 結論

本文通過理論分析和電磁場仿真，采用HTCC 多層布線技術，設計完成了微帶到帶狀線的垂直傳輸互聯結構，并將該結構應用在HTCC 管殼封裝中，同時和PCB 聯合仿真，對加工后的實物進行測試，該垂直傳輸互聯結構封裝在DC～20GHz 頻段內插入損耗小于0.5dB，回波損耗大于15dB，滿足符合設計要求和工程應用。