0 引言

    電子裝備正在向小型化、輕量化和多功能方向發(fā)展，尤其機(jī)載、艦載、星載等電子裝備以及電子對抗中的通信、雷達(dá)和光電子設(shè)備，均需要大量的高性能、高可靠的微電子模塊，作為其核心模塊的微波毫米波多芯片模塊(MMCM)三維互聯(lián)與封裝技術(shù)已經(jīng)成為微波毫米波集成技術(shù)的研究熱點(diǎn)^[1-3]。多層板如共燒陶瓷基板、硅基、金屬基和多層電路印制板等，在微波產(chǎn)品中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。但從成本、周期、工程研制等方面考慮，多層印制板更具有明顯的優(yōu)勢。利用多層板實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級封裝中各信號(hào)層、電源層、接地層之間的相互聯(lián)接，以實(shí)現(xiàn)MMCM微型化、高性能和低成本等技術(shù)要求，滿足MMCM越來越精密的裝配精度、越來越微小的空間尺寸和越來越高的可靠性要求^[4-6]。目前的多層板技術(shù)主要應(yīng)用于數(shù)字電路或低頻電路的高密度集成封裝中，射頻方面的應(yīng)用相對較少且主要工作于Ku及以下頻段。

    為了實(shí)現(xiàn)多層板應(yīng)用時(shí)微波毫米波頻段過渡信號(hào)的低損耗傳輸，本文設(shè)計(jì)了一種低損耗過渡結(jié)構(gòu)，并對樣件進(jìn)行了測試。該過渡結(jié)構(gòu)在Ka頻段具有良好的射頻傳輸特性，為多芯片組件的小型化問題^[7]。

1 多層板過渡模型及仿真

    本文設(shè)計(jì)的多層板過渡模型如圖1所示，整版厚度為1.0 mm。多層板部分頂層為Alon CLTE/XT微波板，下層板材為FR-4，參考工程易實(shí)現(xiàn)的裝配尺寸，將雙面板與多層板間隙f設(shè)置為0.2 mm，在與雙面板連接端通過金屬化孔過渡，實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)傳輸，金屬化孔的直徑的間距均為0.25 mm，金屬化孔離微帶的距離為d。金屬化過孔的作用是在端口處實(shí)現(xiàn)微波共地。

    為了說明金屬化過孔的作用，利用三維仿真軟件HFSS，首先對沒有金屬化孔的模型進(jìn)行仿真，圖2為無金屬化孔模型，圖3為該模型的仿真參數(shù)結(jié)果。同時(shí)給出直通微帶的仿真參數(shù)作為對比，如圖4所示。

    從圖3和圖4的對比可以看出，在沒有金屬化孔的情況下，微波信號(hào)處于失配狀態(tài)，諧振較大，不能在組件中用于微波信號(hào)傳輸。

    圖5給出了金屬化孔距離微帶尺寸不同時(shí)，信號(hào)的傳輸特性。從圖中可以看出，金屬化孔離微帶的距離越近，信號(hào)傳輸特性越好，尤其對于頻率較高的頻點(diǎn)。當(dāng)間距由0.6 mm變?yōu)?.2 mm時(shí)，在20 GHz處的插損由0.48 dB變?yōu)?.72 dB，駐波比由1.4變?yōu)?.75，變化幅度較為明顯，且無諧振現(xiàn)象。

    將d為0.6 mm時(shí)的傳輸特性與直通微帶相比，駐波比大了0.3，插損僅大0.1 dB。其參數(shù)變化處于可接受范圍，滿足工程應(yīng)用要求。

2 Ka波段多層板過渡模型優(yōu)化及仿真

    Ka波段芯片已日趨成熟及多樣化，其性能基本能滿足系統(tǒng)需求，而傳統(tǒng)的多芯片組件大多采用正面隔腔走微波信號(hào)，背面走低頻信號(hào)的布局，低頻信號(hào)通過穿線或焊接低頻絕緣子的形式給芯片饋電。這種布局的優(yōu)點(diǎn)是電性能容易調(diào)試且高頻信號(hào)與低頻信號(hào)之間的相互串?dāng)_較小。但其缺點(diǎn)也很明顯，就是組件需采用雙面結(jié)構(gòu)，組件厚度很難縮小，且組件蓋板需雙面氣密，工程難度較大；再者就是穿線工藝帶來裝配難度增加，組件內(nèi)部裸芯片容易被污染損壞，尤其是在多芯片組件中，饋電點(diǎn)較多的情況下，這種現(xiàn)象更為明顯。于是，研究多層板技術(shù)在Ka波段的應(yīng)用顯得尤為迫切。

    圖6為圖1模型在30 GHz～40 GHz頻段范圍內(nèi)的仿真結(jié)果，從仿真結(jié)果可以看出雖然沒有諧振現(xiàn)象，但傳輸特性較差，損耗大駐波比差，不能滿足工程應(yīng)用。

    傳統(tǒng)電路中，當(dāng)頻率較低時(shí)，過孔的各參數(shù)的確定多是基于經(jīng)驗(yàn)值。但當(dāng)頻率上升至微波頻段時(shí)，過孔結(jié)構(gòu)引起的阻抗不連續(xù)性會(huì)導(dǎo)致能量的反射并影響電路性能，過孔結(jié)構(gòu)可以用一個(gè)簡單的集總LC-π型電路等效，如圖7所示。基于準(zhǔn)靜態(tài)分析，其電容電感值可以用如下公式來表示^[8]：

其中，ε_r、T、D_p、D_ap、h和d分別為基板相對介電常數(shù)、基板厚度、過孔焊盤直徑、過孔隔離焊盤直徑、過孔高度以及過孔直徑。

    為了減小式(1)中的電感效應(yīng)，需要減小過孔的高度。同樣地，為了減小式(2)中的電容效應(yīng)，過孔焊盤直徑、相對介電常數(shù)以及多層板厚度應(yīng)該盡量小并增大隔離焊盤直徑。金屬化孔的寄生參數(shù)受過孔高度影響較大，高度越大，電感越大，從而會(huì)導(dǎo)致高頻信號(hào)傳輸特性變差。

    通過仿真優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)金屬化過孔的高度對多層板的傳輸特性有較大影響，將原高度0.75 mm降為0.4 mm，則整個(gè)多層板厚度為0.65 mm，再次進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖8所示。同時(shí)將其與直通微帶（如圖9所示）、金屬化過孔高度為1.0 mm的參數(shù)（如圖6所示）進(jìn)行對比?？梢钥闯觯^孔高度降低后帶內(nèi)插損最大為0.65 dB，駐波比最大為1.55；與直通微帶的最大插損0.35 dB、最大駐波比1.15相比還是有一定的差距，但已能滿足常規(guī)組件的性能需求，較優(yōu)化前的最大插損4.5 dB、最大駐波比5.7相比已經(jīng)有明顯的改善。

3 結(jié)論

    復(fù)合多層板技術(shù)是研制小型化、高集成和高可靠微波毫米波多芯片組件的關(guān)鍵技術(shù)。本文設(shè)計(jì)了一種基于復(fù)合多層板工藝的板間微波互聯(lián)結(jié)構(gòu)，并利用電磁場仿真軟件分析了不同互聯(lián)模型的微波傳輸性能。優(yōu)化后的多層互聯(lián)結(jié)構(gòu)在10 GHz～20 GHz范圍內(nèi)只比直通微帶的插損大0.1 dB，駐波比大0.3；在30 GHz～40 GHz范圍內(nèi)只比直通微帶的插損大0.3 dB，駐波比大0.4，具備良好的微波特性。該互聯(lián)結(jié)構(gòu)具有工藝簡單、集成度高、成本低廉等優(yōu)勢，可以解決多芯片組件中的高密度電氣互聯(lián)的問題。

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作者信息:

王  磊

(中國航天科工集團(tuán)8511研究所，江蘇 南京210007)