微波裸芯片臨時封裝夾具微波信號傳輸?shù)膬?yōu)化

徐麗， 黃云， 周斌

（1.華南理工大學(xué)，廣東 廣州，510640；2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州，510610）

0 引言

由于GaAs MMIC在通信系統(tǒng)及軍用電子系統(tǒng)中的應(yīng)用，市場對高可靠性微波裸芯片的需求日益迫切。在已知良好芯片（KGD：Know Good Die）技術(shù)研究及應(yīng)用的推動下，對裸芯片可靠性的研究朝著高頻、高速信號芯片的方向發(fā)展。本文針對MMIC的測試與老煉，研制了一套臨時封裝測試夾具，用于對特定的微波功率放大器進(jìn)行KGD實驗。

要實現(xiàn)分立微波裸芯片的KGD保證技術(shù)，關(guān)鍵是臨時封裝夾具系統(tǒng)的設(shè)計。封裝夾具主要對芯片起到機(jī)械保護(hù)和電氣連接的作用。作為微波傳輸系統(tǒng)的重要組成部分，微波傳輸線是夾具系統(tǒng)設(shè)計中需要重點考慮的環(huán)節(jié)。本設(shè)計針對微波信號傳輸線，主要考慮了兩個問題，首先是根據(jù)微波頻率來選擇合適的傳輸線，再是保證傳輸系統(tǒng)的匹配，減小信號傳輸?shù)牟贿B續(xù)，使夾具在測試和老煉時具有良好的信號完整性。選擇合適的傳輸線，相當(dāng)于選擇了合適的傳輸管道類型，信號才能得到順暢的流通；合理地考慮傳輸匹配則是將各管道連接起來，并對連接處進(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶幚怼?/p>

1 傳輸線的設(shè)計與優(yōu)化

微波傳輸不同于普通電信號的傳輸，普通信號的傳輸線只需要考慮電阻和功率消耗，而對于微波傳輸，由于頻率的上升，傳輸線的寄生參數(shù)如電容電感特性變得很重要，因而引入了分布參數(shù)理論。傳輸線的形式有很多種，其中平面導(dǎo)波系統(tǒng)是為適應(yīng)微波集成電路而出現(xiàn)的。平面?zhèn)鬏斁€最重要的傳輸線參量是特性阻抗和有效介電常數(shù)。

實驗所用的微波功率放大芯片的輸入輸出電路都匹配到了標(biāo)準(zhǔn)的50Ω，應(yīng)用時只需嚴(yán)格控制線路阻抗，即使用50Ω的微波傳輸線，就能達(dá)到信號完整性要求。計算傳輸線特性阻抗的方法主要有3種：理論公式計算法、曲線圖解估算法和軟件模擬法。除了以上3種設(shè)計思路，傳輸線設(shè)計時還應(yīng)充分考慮線寬對阻抗的配合性和實際的加工精度，因此在傳輸線的實際制作中，需要參考PCB加工商所提供的設(shè)計方案。

微帶線是應(yīng)用最普遍的傳輸線，它具有價廉、體積小、容易與有源器件集成，生產(chǎn)中重復(fù)性好，與單片微波集成電路兼容性好等優(yōu)點。相比微帶線，共面波導(dǎo)（CPW：Co-Planer Waveguide）的導(dǎo)體條帶和接地板在同一個平面，具有更低的損耗[1]。而且微波在片測試探針上常使用共面波導(dǎo)形式的微波傳輸線，本設(shè)計中為了得到更好的信號傳輸特性，使用了與之相近的導(dǎo)帶兩邊有地線的微帶線結(jié)構(gòu)。

背面接地的共面波導(dǎo)傳輸線截面圖如圖1（a）所示，綜合考慮傳輸線的理論計算、軟件計算和加工制作工藝，最終確定本設(shè)計使用的微帶線結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示，中間的線路為信號線，兩邊線路為地線，圓柱形為地線與基板背面覆銅層的通孔。仿真參數(shù)為 H=50μm， T=18μm， εr=3.4， W=100μm， G=150μm。

使用三維電磁仿真軟件（HFSS），仿真驗證其傳輸特性，得到圖2。圖2（a）為S參數(shù)仿真結(jié)果，紅色曲線為S21，藍(lán)色曲線為S11。由圖可知，在2～6GHz內(nèi)，回波損耗S11在-15dB以下，插入損耗S21在-1dB以上，圖2（b）為傳輸線的特性阻抗仿真結(jié)果，由于將傳輸線看作是雙端口網(wǎng)絡(luò)，圖中兩條曲線分別為傳輸線的兩個端口的特性阻抗，由圖可知傳輸線特性阻抗基本在49～51Ω之間，保證了這段傳輸線端接50Ω的負(fù)載時反射系數(shù)的絕對值在1%之內(nèi)。以上分析說明，本文設(shè)計的傳輸線符合良好微帶線的傳輸性能要求。

2 不連續(xù)處信號完整性問題及其優(yōu)化

信號傳輸?shù)倪B續(xù)性即傳輸阻抗的連續(xù)性。阻抗恒定通常意味著一致的幾何特性，同平面上的傳輸線能夠較好地控制特性阻抗，互連轉(zhuǎn)接的位置是阻抗變化突出的地方且難以控制。信號傳輸?shù)牟贿B續(xù)性主要分為：傳輸線內(nèi)部、不同傳輸線轉(zhuǎn)換及設(shè)備互連。信號在傳輸中的不連續(xù)將帶來信號完整性問題。本測試夾具設(shè)計了兩個互連基板，一個是倒扣于芯片上方、將芯片pad上的信號引出的芯片電信號連接襯底，另一個是將倒置襯底的信號轉(zhuǎn)接并引出到外圍測試電路的外圍來連接襯底。下文將針對夾具中的3種不連續(xù)性分別進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

2.1 微波傳輸線內(nèi)部不連續(xù)問題的優(yōu)化設(shè)計

圖3（a）為微波夾具兩個互連襯底信號線連接處的設(shè)計示意圖，外圍襯底的信號線在兩襯底的互連處設(shè)計了一個焊盤以加強(qiáng)接觸的可靠性。然而焊盤的設(shè)計和互連金絲球凸點的引入，給信號傳輸加入了不連續(xù)因素。焊盤比信號傳輸線更寬，線寬的突變等效于串聯(lián)電抗，金絲球凸點等效串聯(lián)電感，而兩個互連襯底的重合處等效耦合電容，焊盤的開路段可等效并聯(lián)電容。

由于實驗夾具的限制，無法徹底消除信號傳輸線的不連續(xù)影響，只能通過優(yōu)化傳輸結(jié)構(gòu)而使其不連續(xù)影響被控制在可以接受的范圍內(nèi)。例如：焊盤線寬的加大導(dǎo)致焊盤處的特性阻抗值變小，通過去除焊盤下方的鋪地從而使焊盤處的傳輸線變?yōu)楸趁鏌o鋪地的共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，可以適當(dāng)?shù)靥岣吆副P的特性阻抗值；焊盤兩邊仍保留地線，并且兩個襯底的地線在兩襯底互連處通過金絲球凸點連接，這樣做可以一定程度地減小插入損耗，抑制不需要的模式[3]。

通過HFSS建模可以仿真并驗證傳輸結(jié)構(gòu)的優(yōu)化對傳輸性能的改善。仿真數(shù)據(jù)如圖3（b）所示，S11和S21分別是優(yōu)化后的回波損耗和插入損耗，S11-1和S21-1是優(yōu)化前的。S11等于0dB表示完全失配，等于-∞dB表示完全匹配，在實際電路中，低于-20～-15dB是很好的匹配；S21表示1進(jìn)2出的信號，等于0dB表示信號1進(jìn)全從2出，等于-3dB表示有一半信號到達(dá)2端口，等于-∞表示無功率到達(dá)2端口，正值對應(yīng)放大器產(chǎn)生的增益[4]。由圖可知，經(jīng)過對兩襯底的互連處進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，互連處得到了更好的微波傳輸性能。

互連等效電路的提取方法是，根據(jù)HFSS電磁仿真中得到的S參數(shù)由該軟件直接輸出傳輸結(jié)構(gòu)的集總元件模型，或者根據(jù)仿真得到的Smith chart轉(zhuǎn)換出RLC等效模型，然后在先進(jìn)設(shè)計系統(tǒng)（ADS）軟件中建立電路模型，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)初始值通過優(yōu)化工具得到RLC的具體參數(shù)值，仿真?zhèn)鬏斕匦郧€，使ADS中的等效電路得到的S參數(shù)曲線逼近HFSS所得的曲線，使得兩曲線誤差不超過5%，從而提取等效電路，最終確定互連結(jié)構(gòu)的等效阻抗參數(shù)值[2]。根據(jù)上述方法得到兩襯底互連結(jié)構(gòu)的RLC等效電路如圖3（c）所示。圖3（d）為該等效電路的傳輸特性與HFSS建模仿真中的傳輸特性的比較。由圖可知，兩條曲線的誤差在允許范圍內(nèi)，該等效電路能夠較準(zhǔn)確地反映三維電磁仿真中的襯底互連結(jié)構(gòu)的等效寄生參數(shù)。

2.2 信號轉(zhuǎn)接處不連續(xù)問題的優(yōu)化設(shè)計

外圍電連接襯底與同軸線間的信號轉(zhuǎn)接由SMA接頭實現(xiàn)，此位置將發(fā)生信號不連續(xù)傳輸。圖4（a）為信號轉(zhuǎn)接互連的仿真結(jié)構(gòu)圖，同軸連接器與微帶線轉(zhuǎn)接口處微帶線寬的加大，形如貼片天線，產(chǎn)生能量輻射并引入插入損耗，通過端口處雙層覆銅板地層的處理可以一定程度地減小損耗，設(shè)計中把焊盤處下方的鋪地銅層去除也可有效地改善傳輸性能。圖4（b）為結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的S參數(shù)仿真結(jié)果。S11和S21分別是優(yōu)化后的回波損耗和插入損耗，S11-1和S21-1是焊盤兩邊無地線的結(jié)構(gòu)，S11-2和S21-2是焊盤背面有鋪地的結(jié)構(gòu)。由圖可見，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)極大地改善了SMA信號轉(zhuǎn)接的S參數(shù)，使其S11小于-15dB，S21大于-1dB，符合良好傳輸線的要求。

2.3 設(shè)備互連不連續(xù)問題的優(yōu)化設(shè)計

本文中設(shè)備互連是指MMIC芯片到基片之間的連接，即芯片到夾具系統(tǒng)PCB傳輸線的連接。此連接是通過焊料凸點來實現(xiàn)的。焊料凸點常呈感性。在此夾具中，芯片正放于夾具中央，芯片信號電連接襯底倒扣在芯片上，可以看作為倒置的封裝結(jié)構(gòu)。微波芯片封裝的相關(guān)文獻(xiàn)中研究了倒裝互連焊點的傳輸特性，焊點的高度越高，直徑越小，回波損耗和插入損耗越小，傳輸性能也越好[5]；焊點高度對芯片信號傳輸?shù)挠绊戯@著，使用金焊點能夠降低焊點高度對傳輸特性的影響[6]。以上結(jié)論均能在HFSS中建模仿真并得出相同的結(jié)果。

3 臨時封裝夾具整體的微波信號傳輸特性

在優(yōu)化夾具微波信號傳輸中的不連續(xù)處后，將傳輸結(jié)構(gòu)整合并通過HFSS建模仿真，能在一定程度上直觀地反映本設(shè)計的微波信號傳輸性能。整體建模時還可加入一些實際工藝的考慮，如PCB表面綠油、焊盤設(shè)計，使仿真結(jié)構(gòu)更逼近真實的夾具系統(tǒng)。圖5為夾具整體的仿真結(jié)構(gòu)及其傳輸特性參數(shù)。仿真中的芯片用一段直通的50Ω微帶線代替，在后期實驗中可以制作一段與芯片相同尺寸的50Ω微帶線進(jìn)行夾具傳輸特性的驗證。仿真結(jié)果表明，夾具S11小于-15dB，S21大于-1dB，符合傳輸特性要求。

通過HFSS三維電磁仿真建模和ADS等效電路參數(shù)提取可以得到與替代芯片的直通微帶線的傳輸特性及RLC等效電路，如圖6所示。

將前文所得的襯底互連等效電路、SMA接口等效電路以及傳輸線寄生參數(shù)等效電路按夾具結(jié)構(gòu)順次連接，可以得到臨時封裝夾具整體的分布參數(shù)等效電路。在夾具的整體仿真中，由于芯片尺寸較小，輸入與輸出之間存在耦合電容。在ADS仿真中，傳輸線與芯片的互連以及替代芯片的微帶線部分的等效電路如圖7（a）所示。圖7（b）為兩種仿真中夾具整體在2～6GHz的 S11參數(shù)結(jié)果比較，由圖可知，ADS得到的等效電路是合適的。

4 結(jié)論

鑒于微波傳輸線在微波系統(tǒng)中的重要地位，本文針對微波裸芯片的臨時封裝夾具，通過三維電磁仿真軟件HFSS建立了微波信號傳輸路徑的微波傳輸性能仿真模型，優(yōu)化了傳輸線的不連續(xù)處的結(jié)構(gòu)，從而減小信號完整性問題的影響，并借助電路分析軟件ADS得到傳輸結(jié)構(gòu)相應(yīng)的分布參數(shù)等效電路，以便于對該夾具開展深入的研究。最終得到的傳輸結(jié)構(gòu)在2～6GHz頻段S11小于-15dB，S21大于-1dB，符合良好匹配傳輸線的要求。

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