基于LTCC的毛紐扣垂直互連技術(shù)研究

司建文，徐 利，王子良

（南京電子器件研究所，南京 210016）

1 引言

低溫共燒陶瓷（LTCC）技術(shù)，由于其在微波毫米波段表現(xiàn)出優(yōu)異的微波性能，已成為目前二維微波多芯片模塊的一項(xiàng)主流技術(shù)[1]。LTCC微波模塊廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信等電子設(shè)備中。LTCC技術(shù)將低溫共燒陶瓷粉制成厚度精確而且致密的生瓷帶，在生瓷帶上利用激光打孔、微孔注漿、精密導(dǎo)體漿料印刷、疊片、層壓及燒結(jié)等工藝制作所需要的電路圖形，并將多個(gè)無源元件內(nèi)埋于其中。印刷金屬漿料一般為金或銀，在850℃下燒結(jié)，制成三維空間互不干擾的高密度組件，也可制成內(nèi)置無源元件的三維電路基板，表面可以貼裝MMIC芯片等，制成二維多芯片微波模塊。

隨著通訊及雷達(dá)技術(shù)的迅速發(fā)展，當(dāng)前基于單層LTCC基板的平面封裝結(jié)構(gòu)微波多芯片模塊（MMCM）的體積已越來越不能滿足微波模塊小型化的需求[1]。將基于LTCC基板不同功能的MMCM進(jìn)行三維垂直互連，實(shí)現(xiàn)三維立體封裝，則可使微波模塊的體積和表面積大幅縮小，重量減輕[2~3]。近些年，歐美等西方國家相繼展開了三維垂直互連結(jié)構(gòu)的研究，研制出多種波段應(yīng)用于機(jī)載、星載和艦載等領(lǐng)域的三維結(jié)構(gòu)微波組件，可以大幅度減小微波組件在其中占據(jù)的體積[4]。

三維多芯片微波電路模塊封裝技術(shù)中最關(guān)鍵的難點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)二維多芯片微波電路模塊間的垂直互連工藝，即將上下二維微波電路模塊的輸入輸出相互連接，并實(shí)現(xiàn)垂直方向的機(jī)械連接。微波電路模塊中的垂直互連包括層間微波信號(hào)、電源及地之間的互連，既要保證微波信號(hào)的完整性，又要有結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)。

LTCC模塊間的垂直互連可以通過球柵陣列或連接器的形式將各層LTCC基板的輸入輸出互連，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)疊層式的三維模塊。球柵陣列焊接是在基板的上下面都用焊料球進(jìn)行垂直互連，但是這種垂直互連工藝的可靠性較低，易造成焊料堆積或空洞等缺陷，進(jìn)而影響微波模塊的性能。毛紐扣這種彈性連接器作為連接器件實(shí)現(xiàn)無焊連接，具有良好的微波和直流連接性能，美日及國內(nèi)一些學(xué)者已經(jīng)在微波低頻段取得一些成果，但是在微波高頻段的應(yīng)用還需要進(jìn)一步完善。

2 毛紐扣微波垂直互連三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用毛紐扣的無焊互連技術(shù)是目前實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)三維垂直互連的一個(gè)主要方向。這種互連技術(shù)不僅微波性能好、對(duì)位方便，而且成本低、易拆卸。本文設(shè)計(jì)了兩種結(jié)構(gòu)的毛紐扣三維傳輸模型，分別是同軸型和三線型毛紐扣垂直互連模型，如圖1和圖2所示。

圖1 同軸型毛紐扣三維傳輸模型

圖2 三線型毛紐扣三維傳輸模型

基于三維電磁仿真軟件HFSS，本文對(duì)兩種毛紐扣三維傳輸模型進(jìn)行仿真分析，模型中LTCC基板微波信號(hào)傳輸選用背面接地的共面波導(dǎo)傳輸線，通過增加高密度陣列接地通孔有效地抑制了X波段內(nèi)的寄生模式。這兩種模型中的信號(hào)從上層LTCC基板表面的共面波導(dǎo)傳輸線通過LTCC內(nèi)部的垂直過孔過渡到毛紐扣，再通過毛紐扣傳輸?shù)较聦覮TCC基板的共面波導(dǎo)傳輸線，信號(hào)通過對(duì)稱結(jié)構(gòu)再傳輸?shù)缴蠈覮TCC基板。設(shè)計(jì)這種背靠背結(jié)構(gòu)也是為了后續(xù)更好地進(jìn)行測試。模型中LTCC基板選用FERRO公司介電常數(shù)為5.9的瓷帶，厚度為0.1 mm，毛紐扣直徑為0.5 mm，高度為3 mm，介電體選用介電常數(shù)為2.2的聚四氟乙烯材料。通過在三維電磁仿真軟件中的優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到較好的仿真結(jié)果，圖3為同軸型結(jié)構(gòu)毛紐扣三維傳輸模型的仿真結(jié)果，圖4為三線型毛紐扣三維傳輸模型的仿真結(jié)果。

圖3 同軸型毛紐扣三維傳輸模型仿真結(jié)果

3 基于毛紐扣的LTCC微波垂直互連模塊制作與測試

根據(jù)上述設(shè)計(jì)的毛紐扣三維傳輸模型，本文完成了基于毛紐扣的兩種LTCC微波垂直互連模型的制作與測試。LTCC工藝的工序較為復(fù)雜，每一道工序的控制都很關(guān)鍵，其中3點(diǎn)對(duì)本文設(shè)計(jì)的模型尤為重要。其一是高精度線條的印刷工藝，由于本文的LTCC基板采用的是共面波導(dǎo)傳輸線，線條的寬度及槽寬是影響傳輸線性能的主要因素，因此必須保證印刷圖形的精度。其二是高密度金屬化陣列通孔加工工藝，高密度的接地通孔是抑制傳輸線上寄生模式的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。其三則為LTCC基板的平整度控制，基板不平整一方面帶來表面輻射損耗的增加，另一方面則影響到與毛紐扣的互連，容易發(fā)生互連不充分而導(dǎo)致斷路。通過一系列的深入工藝研究，完成了LTCC基板的加工，如圖5所示。

圖4 三線型毛紐扣三維傳輸模型仿真結(jié)果

微波垂直互連模塊中毛紐扣是由鍍金的銅絲編織而成的圓柱，如圖6所示。垂直互連模塊的框架為黃銅材質(zhì)，形成了LTCC基板和毛紐扣的支撐。毛紐扣嵌入聚四氟乙烯制作的介電體內(nèi)，與黃銅框架形成了較好的絕緣特性。

圖5 LTCC基板實(shí)物圖

圖6 毛紐扣實(shí)物圖

根據(jù)圖1和圖2中的模型，本文完成了兩種微波垂直互連模塊的制作，如圖7和圖8所示，經(jīng)過測試，在X波段內(nèi)兩種結(jié)構(gòu)的垂直互連模塊的微波傳輸性能都比較好。圖9為同軸型毛紐扣微波垂直互連模塊的測試結(jié)果，圖10為三線型毛紐扣微波垂直互連模塊的測試結(jié)果。

圖7 同軸型毛紐扣微波垂直互連模塊

圖8 三線型毛紐扣微波垂直互連模塊

圖9 同軸型毛紐扣微波垂直互連模塊測試結(jié)果

圖10 三線型毛紐扣微波垂直互連模塊測試結(jié)果

從這些圖中可以看出，毛紐扣垂直互連模塊的制作方法簡單，微波傳輸性能良好。同軸型毛紐扣垂直互連模塊結(jié)構(gòu)簡單，體積小，但在受到擠壓時(shí)，雖然射頻線可以保持連接良好，但是信號(hào)地?zé)o法保證在振動(dòng)情況下保持優(yōu)良的連接。三線型毛紐扣垂直互連模塊就可以在受到擠壓時(shí)，兩邊的毛紐扣也能夠獲得良好的接地連接，但同樣帶來了體積較大的問題。因此在使用時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際的需求選用同軸型或者三線型的毛紐扣垂直互連模型。

4 結(jié)論

本文基于LTCC工藝、共面波導(dǎo)傳輸理論以及毛紐扣互連特性，分別建立了同軸型和三線型兩種結(jié)構(gòu)的毛紐扣垂直互連模型，并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和制作、測試。最終的測試結(jié)果顯示了該垂直互連模型在X波段具有良好的微波特性，為LTCC微波模塊的垂直互連奠定了基礎(chǔ)。

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