基于LTCC技術(shù)的三維集成微波組件

1、基于 LTCC 技術(shù)的三維集成微波組件嚴(yán) 偉 , 禹勝林 , 房迅雷(南京電子技術(shù)研究所 , 江蘇南京 210013 摘 要 : 低溫共燒陶瓷 (LT CC 技術(shù)和三維立體組裝技術(shù)是實(shí)現(xiàn)微波組件小型化 、 輕量化 、 高性能和高可靠的有效手段 . 本文研究實(shí)現(xiàn)了基于 LT CC 技術(shù)的三維集成微波組件 , 對三維集成微波組件的立體互連結(jié)構(gòu) 、 三維集成 LT CC 微波電路的垂直微波互連 、 微波多芯片模塊 (M MC M 的垂直微波互連等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)闡述 . 研制出的三維集成 微波組件的體積和重量分別比傳統(tǒng)的二維平面 LT CC 集成微波組件減小 40%和 38%, .關(guān)鍵詞 : 低溫

2、共燒陶瓷 ; 垂直微波互連 ; 三維立體組裝 ; 中圖分類號 : T N386 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 : A :2( 2Three Dimensional on LTCC TechnologyY an Wei ,Y u Sheng 2lin ,Fang Xun 2lei(Nanjing Research Institute o f Electronic Technology , Jiangsu , Nanjing 210013, China Abstract : Low temperature co 2fired ceramics (LT CC technology and three dimensio

3、nal (3D microwave cubic packaging technology for microwave m odules are effective methods for realizing microwave m odules miniature and light with high performance and high reliability. In this paper ,3D integrated microwave m odules based on LT CC are studied and developed. The cubic interconnecti

4、ng structure of 3D integrated microwave m odules ,the vertical microwave interconnecting of 3D integrated LT CC microwave circuit sub 2strates ,and the vertical microwave interconnecting of microwave multi 2chip m odule (M MC M are described in detail. The v olume and weight of 3D integrated microwa

5、ve m odules with these technologies are reduced by 40%and 38%respectively compared to traditional 2D LT CC integrated microwave m odules ,and the electric performances are about the same.K ey words : low temperature co 2fired ceramics (LT CC ;vertical microwave interconnecting ;3D cubic packaging ;m

6、icrowave m odule1 引言 隨著單片集成電路技術(shù) 、 新型電子材料和組裝互連技術(shù)的快速發(fā)展 , 固態(tài)有源相控陣技術(shù)在軍用和民用電子裝備中 得到越來越廣泛的應(yīng)用 . 先進(jìn)的相控陣天線需要大量小型化 、 輕量化 、 高可靠 、 多功能和低成本的微波組件 , 推動微波電路 技術(shù)向單片微波集成電路 (M MIC 、 微波多芯片模塊 (M MC M 、 和三維集成微波電路方向發(fā)展 . 三維集成微波電路是在二維 M MC M 的基礎(chǔ)上 , 使組裝和互連技術(shù)從二維向三維發(fā)展而實(shí) 現(xiàn)的三維立體結(jié)構(gòu)的微波電路 , 以進(jìn)一步提高組裝密度 、 減小 體積 . 因此 , 在三維集成微波組件的研制中 ,

7、采用了許多新材 料 、 新封裝和互連工藝 . 如將低溫共燒陶瓷 (LT CC 技術(shù)引入 三維集成微波組件的研制中 , 利用 LT CC 技術(shù)具有的比傳統(tǒng) 厚膜 、 薄膜和高溫共燒陶瓷 (HT CC 技術(shù)更加靈活的設(shè)計方 法 , 即采用微波傳輸線 (如微帶線 、 帶狀線和共面波導(dǎo) 、 邏輯 控制線和電源線的混合信號設(shè)計 , 可以將它們組合在同一個 LT CC 三維微波傳輸結(jié)構(gòu)中 , 并且可將電阻 、 電容和電感等無 源元件集成在 LT CC 多層微波電路基板中 , 進(jìn)一步提高集成度和可靠性 . 而且在 LT CC 多層微波電路中采用帶狀線和中 間接地屏蔽層還可以改善微波系統(tǒng)中接收和發(fā)射通道之間的

8、 隔離度 , 因此基于 LT CC 技術(shù)研制的微波組件具有高集成密 度 、 多種電路功能和高可靠性等技術(shù)優(yōu)勢 . 近年來隨著高介電 常數(shù) 、 低損耗角正切值的帶金屬襯底復(fù)合介質(zhì)材料的研制成 功及廣泛應(yīng)用 , 也為解決垂直微波互連這一 3D 結(jié)構(gòu)的技術(shù) 關(guān)鍵 , 實(shí)現(xiàn)多塊 LT CC M MC M 的低成本 、 高可靠的垂直微波互連提供了有效的技術(shù)途徑 13.本文研究了實(shí)現(xiàn)基于 LT CC 技術(shù)的三維集成微波組件的 高密度組裝和互連技術(shù) . 對三維集成微波組件的結(jié)構(gòu) 、 三維集 成 LT CC 微波組件的垂直微波互連 、 M MC M 的垂直微波互連 等進(jìn)行了理論分析 、 電路和電磁場仿真 、

9、電路樣品制作和實(shí)驗(yàn) 研究 . 研制出的三維集成微波組件的體積和重量分別比傳統(tǒng) 的二維平面 LT CC 集成微波組件減小 40%和 38%, 電氣性能 相當(dāng) .2 三維集成微波組件結(jié)構(gòu) 為了實(shí)現(xiàn)三維集成微波組件 , 將構(gòu)成微波組件的電路系收稿日期 :2005204228; 修回日期 :2005208220第 11期 2005年 11月電 子 學(xué) 報ACT A E LECTRONICA SINICA V ol. 33 N o. 11N ov. 2005統(tǒng)劃分為發(fā)射支路 、 接收支路和控制支路等三部分 . 首先采用三維 LT CC 微波互連電路技術(shù)和微波多芯片模塊技術(shù)分別研 制出發(fā)射支路 LT CC

10、 微波多芯片模塊 、 接收支路 LT CC 微波多 芯片模塊和控制支路 LT CC 微波多芯片模塊 . 然后再采用垂 直微波互連技術(shù)將上述三塊 LT CC 微波多芯片模塊的底面的 微波傳輸線 /控制線利用帶金屬襯底的微波復(fù)合介質(zhì)基板 (表 面貼裝環(huán)行器和隔離器也安裝在其上 上的導(dǎo)帶垂直疊層互 連而形成三維集成微波組件 . 為了最大限度地減小發(fā)射支路 和接收支路之間的干擾 , 發(fā)射支路 LT CC 微波多芯片模塊和 接收支路 LT CC 微波多芯片模塊之間的距離應(yīng)大于接收支路 LT CC 微波多芯片模塊和控制支路 LT CC 微波多芯片模塊之間 的距離 . 其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1所示 .由于發(fā)射支

11、路的耗散功率比較大 , 將發(fā)射支路安裝在三 維集成微波組件的最左邊 , 并且直接焊接在封裝外殼上 , 使封 裝外殼起到散熱器的作用 , 以提高其散熱能力 , 同時三維集成 微波組件在安裝到相控陣天線上時 , 還可以將安裝了發(fā)射支 路的外殼的這一面緊貼在天線冷板上 , 進(jìn)一步改善三維集成 微波組件的工作環(huán)境 , 提高三維集成微波組件的可靠性 .3 三維集成 LTCC 微波電路的垂直微波互連 低溫共燒陶瓷 (LT CC 微波多層互連電路是實(shí)現(xiàn)三維集 成微波組件的一種較理想的互連電路 4. 由于燒結(jié)溫度低 (850 , 可使用金 、 銀或銅等高電導(dǎo)率的金屬材料 , 導(dǎo)體的損 耗比較低 . 而且在 L

12、T CC 多層微波電路制造過程中 , 還可以將 集總參數(shù)電阻 、 電容和電感等無源元件埋置在 LT CC 多層電 路中 , 以取代表面貼裝元件 , 形成三維立體結(jié)構(gòu) , 進(jìn)一步縮小 體積 、 降低成本 、 改善電性能和提高可靠性 . 311 LTCC 中的垂直微波互連在 LT CC 三維微波互連結(jié)構(gòu)中 , 垂直微波互連對于實(shí)現(xiàn) 微帶線和帶狀線之間的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換 , 保證微波信號的有效傳輸 是至關(guān)重要的 . 采用三維電磁場仿真軟件高頻結(jié)構(gòu)模擬器 (HFSS 對垂直微波互連結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和優(yōu)化 .垂直通孔與微帶線和帶狀線等微波傳輸線的連接方式有 很多種 , 我們對圖 2所示的三種連接方式進(jìn)行了研究 .

13、根據(jù)三維電磁場仿真軟件 HFSS 對這三種連接方式的仿 真和優(yōu)化結(jié)果 , 連接方式 1的傳輸特性最好 , 而連接方式 3的 反射信號最大 , 因而傳輸特性最差 . 因此在實(shí)現(xiàn)微帶線和帶狀 線之間的轉(zhuǎn)換時 , 采用方式 1所示的垂直通孔 . 從仿真結(jié)果還 可以看出 , 連接方式 1通過在垂直通孔與微波傳輸線的連接 處適當(dāng)擴(kuò)展微波傳輸線 (環(huán)狀 , 有助于把電磁場信號導(dǎo)入垂 直通孔和下面的帶狀線 , 改善了傳輸性能 . 這一仿真結(jié)果與理 論分析的結(jié)果也是一致的 , 微帶線從上層過渡到下層時 , 會有 一段附加的垂直連接線 (垂直通孔 , 這段線可以等效為電感 , 其電感值近似為 5:L v -r

14、(1 , v 為自由空間的波速 , =1, w 為微帶線寬度 , e 為微帶線等效介電參 數(shù) . 這個電感與微帶線原有的電感串聯(lián) , 導(dǎo)致在過渡段微帶線 的總電感增加到 :L =L 0+L (2 這樣如果不加補(bǔ)償 , 該過渡段微帶線的特性阻抗變?yōu)?:Z =C 0=+L C 0(3而過渡段外微帶線的特性阻抗仍然是 :Z 0=C 0(4這樣兩邊阻抗不同引起了反射 . 為此需要引入補(bǔ)償電容 C , 使得過渡段的特性阻抗仍然保持在 Z 0, 即令 :0+ C=Z 0(5因此補(bǔ)償電容值應(yīng)該是 :C =2Z 20(6在結(jié)構(gòu)上 , 在垂直通孔與微波傳輸線的連接處的環(huán)狀導(dǎo) 體提供了所需的補(bǔ)償電容 . 上面的附

15、加電感計算公式是一個 近似式子 , 隨著工作頻率的升高 , 附加電感的大小也會變化 , 其精確值沒有可用的解析式 , 需要采用電磁場全波數(shù)值分析 方法才能得到 . 同樣補(bǔ)償電容也會隨頻率變化 , 如果兩者變化 的趨勢和速度不一致的話 , 則特性阻抗就不再保持一致 , 這就 是垂直連接線駐波頻率特性的內(nèi)在原因 , 也是改善設(shè)計的關(guān) 鍵所在 . 另外 , 由于這種連接方式對于垂直通孔形成工藝過程 中產(chǎn)生的加工誤差 (如鉆孔誤差和填孔誤差 具有更好的兼容 性 , 所以在工程中具有很高的應(yīng)用價值 .采用方式 1實(shí)現(xiàn)的 微帶 線 和 帶 狀 線 之 間 轉(zhuǎn)換如圖 3所示 . 圖中 接地孔是為了連接三維

16、LT CC 微波電路的中間 接地層和背面接地層 . 對于帶狀線 , 在三維結(jié) 構(gòu)中為消除寄生平板波0102 電 子 學(xué) 報 2005年導(dǎo)效應(yīng) , 通常采用圖 3所示的在帶狀線兩側(cè)排布兩排接地通 孔來實(shí)現(xiàn)中間接地層與背面接地層的可靠連接 . 經(jīng)過 HFSS 軟件仿真和優(yōu)化后 , 該結(jié)構(gòu)取得了較為滿意的微波性能 , 而且 仿真結(jié)果和測試結(jié)果吻合較好 , 如圖 4所示 .312 穿墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計和仿真為了實(shí)現(xiàn)圖 1所示三維結(jié)構(gòu) 中中間接收支路 M MC M 插件前后 線的連接 , 路 LT CC M MC M 板上開一個矩形槽口 , 利用槽口 上的 LT CC 基板正 、 反面的微帶線 和通孔來連接接

17、收支路 M MC M 插件前后的微帶傳輸線的穿墻結(jié)構(gòu) . 為確定這種結(jié)構(gòu)的尺寸及 其是否對微波性能有影響 , 采用 HFSS 軟件對這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行 了仿真 , 仿真模型如圖 5所示 . 仿真結(jié)果如圖 6所示 .從圖 6的仿真結(jié)果可見 , 采用這種穿墻結(jié)構(gòu) , 其插損和駐 波均很小 , 對整個微波性能的影響也很小 , 因此可以在三維集 成微波組件中采用 .4 MMCM 的垂直微波互連 在三維集成微波組件中 , 形成三維結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是如何實(shí) 現(xiàn)各平面 LT CC M MC M 間的垂直微波互連 . 本文中采用了 T 型垂直互連的方法來實(shí)現(xiàn)多個 LT CC 2M MC M 之間的互連 , 即 用一塊水平

18、母板作為實(shí)現(xiàn)多個 LT CC 2M MC M 之間的互連的載體 , 每一塊需要垂直互連的 LT CC M MC M 采用如圖 7(a 所示 的 T 形垂直互連結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)與母板的互連 .在每一塊需要垂直互連的 LT CC M MC M 基板的側(cè)面制作 互連的金屬化連線 , 然后將疊裝后的 MC M 基板側(cè)面金屬化連 線用引線條或附銅介質(zhì)側(cè)板層層焊接互連起來 . 由于不同二 維平面 LT CC M MC M 電路之間的微波信號都是通過垂直傳輸 線來進(jìn)行傳輸 , 在微波信號傳輸線的垂直拐角會產(chǎn)生不連續(xù) 性效應(yīng) , 影響微波組件的電特性 , 而且在垂直拐角電場的集中 會引起電容效應(yīng) ; 電流運(yùn)動在垂直拐

19、角附近受到阻礙會引起 電感效應(yīng)和輻射效應(yīng) , , . 在三維集 電路之間的垂直微波互連的 , 帶金屬襯底的微波電路 復(fù)合介質(zhì)層壓板具有散熱性能好 、 方便連接器安裝 、 可通過在 介質(zhì)層上開槽或打盲孔的方法將有源或無源器件直接安裝在 金屬襯底上 、 最大限度地降低在惡劣溫度環(huán)境條件下介質(zhì)層 和導(dǎo)體層開裂的現(xiàn)象 、 外形尺寸穩(wěn)定性好和易于氣密封裝等 優(yōu)點(diǎn) .圖 7(b 所示為對 T 形垂直結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維電磁場仿真和 優(yōu)化的 HFSS 模型 . 仿真結(jié)果和實(shí)際測試結(jié)果如圖 8(a 和 (b 所示 . 從圖 7中可以看出 , 經(jīng)過設(shè)計優(yōu)后的垂直互連微帶線應(yīng) 在垂直拐角處變窄 , 這是因?yàn)槲Ь€從垂直面

20、過渡到水平面 時 , 在拐角處接地板的面積增大 , 而且單位長度的導(dǎo)帶面積也 比正常的情況下大 , 因此這個拐角等效為一個電容 C.這個電容與微帶線原有的電容 C 0并聯(lián) , 導(dǎo)致在過渡段微帶 線的總電容增加到 :C =C 0+C (7 如果不加補(bǔ)償 , 該過渡段微帶線的特性阻抗變?yōu)?:Z = C=C 0+C(8而過渡段外微帶線的特性阻抗仍然是 :Z 0=L 0/C 0(9這樣會導(dǎo)致兩邊阻抗不同而引起反射 . 為此需要減少總的電 容 , 使得過渡段的特性阻抗仍然保持在 Z 0, 即令 :L C 0+C=Z 0(10因此要減少微帶線導(dǎo)帶本身的電容值 C 0, 它應(yīng)該滿足 C 0=C 0+C(11

21、在結(jié)構(gòu)上 , 通過減小過渡段微帶線導(dǎo)帶寬度的方式就可以保1102第 11 期 嚴(yán) 偉 :基于 LT CC 技術(shù)的三維集成微波組件證總電容不變 . 在靜電場情況下 , 利用保角變換的方法可以得到電容與微帶線導(dǎo)帶寬度之間的關(guān)系 . 在微波頻率 , 微帶線電 容與導(dǎo)帶寬度之間不存在解析關(guān)系式 , 需要采用電磁場全波 數(shù)值分析方法才能得到它們之間的關(guān)系 , 而且隨著工作頻率 的升高 , 即使結(jié)構(gòu)尺寸不變 , 微帶線等效電容的大小也會變 化 . 但是一般而言 , 微帶線的電容與導(dǎo)帶寬度近似成正比 . 因 此可以通過改變導(dǎo)帶寬度得到所需的電容 . 需要注意的是 , 拐 角處電感同樣也會隨頻率變化 , 如果

22、電容 、 電感兩者變化的趨 勢和速度不一致的話 , 則特性阻抗就不再保持一致 .在制作工藝方面 , 由于在 X 波段這樣的高頻區(qū)間 , 垂直 接頭的形狀和焊縫的質(zhì)量對微波傳輸特性的影響是很大的 , 因此對這種相互垂直的微波傳輸線的互連可應(yīng)用激光焊接或 接 , , LT CC M MC M 焊點(diǎn)形狀 . 圖 9為焊縫顯微組織結(jié)構(gòu)照片 . 從圖 9中所示的焊 縫顯微結(jié)構(gòu)可以看出 , 獲得的焊縫均勻一致 .從圖 8中可以看出 , 采用這種垂直互連結(jié)構(gòu) , 在 X 波段的插損小于 0115dB/cm , 駐波小于 1. 25, 完全可以滿足三維集 成微波組件的技術(shù)應(yīng)用要求 . 而且由于采用了精密的焊接

23、夾 具和焊接方法 , 實(shí)現(xiàn)了兩塊互相垂直的微波傳輸線的均勻一 致 、 可靠的互連 , 樣品的實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果吻合得較好 , 滿 足了三維集成微波組件的要求 .5 測試結(jié)果 采用上述高密度組裝互連技術(shù)研制的三維集成微波組件樣品與采用 LT CC 基板研制的傳統(tǒng)的二維微波組件樣品對比 照片如圖 10所示 . 三維集成微波組件樣品的體積和重量分別 比二維微波組件樣品的體積和重量降低 40%和 38%, 接收增 益達(dá)到 24dB , 發(fā)射功率達(dá)到 5W , 與二維微波組件的電氣性能 相當(dāng) .6 結(jié)論 通過對三維集成微波組件的結(jié)構(gòu) 、 三維集成 LT CC 微波電路的垂直微波互連和 M MC M 的垂

24、直微波互連進(jìn)行仿真和 優(yōu)化 , 得到了較好的微波性能 , 并有效地減小了微波組件的體 積和重量 , 實(shí)現(xiàn)了微波組件的三維集成及高密度組裝和互連 . 基于 LT CC 的三維集成微波組件是實(shí)現(xiàn)射頻和微波電路小型化 、 輕量化 、 高性能和高可靠的有效途徑 , 在雷達(dá)和通訊等技 術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景 68. 參考文獻(xiàn) :1 A C ontolatis ,V S okolov. 90°RF vertical interconnects J.M icrowaveJour nal ,1993,36(6 :102-104.2 Y an W ei ,Fang Xunlei , Y u Shen

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