DC-40 GHz通用化BGA封裝的射頻微系統(tǒng)測試技術(shù)研究

張曉慶，劉德喜，祝大龍，史 磊，劉亞威

(北京遙測技術(shù)研究所，北京 100094)

0 引言

球柵陣列(Ball Grid Array，BGA)封裝技術(shù)由美國Motorola公司于1989年開發(fā)，其使用焊球取代傳統(tǒng)封裝的金屬絲和連接器，并以面陣列的形式排列于基板背面來連接集成電路中傳輸?shù)碾娦盘朳1]，從而實(shí)現(xiàn)在I/O數(shù)目上的大大增加，同時可以使電信號連接距離大幅縮小，提高信號傳遞速度，減少信號損耗與延遲。隨著微電子封裝技術(shù)向小尺寸、低功耗、高性能等方向飛速發(fā)展，射頻微系統(tǒng)集成技術(shù)符合未來電子器件小型化發(fā)展趨勢的要求[2]，因此作為常用實(shí)現(xiàn)形式之一的BGA封裝技術(shù)近年來愈發(fā)受到關(guān)注。

由于球柵陣列(BGA)封裝端口非連接器結(jié)構(gòu)，無法直接連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行S參數(shù)測量，因此對BGA封裝的測試夾具的引入必不可少。為實(shí)現(xiàn)夾具與測試封裝的可重復(fù)使用，目前采用的測試夾具與BGA封裝一般以壓接為主，常見的互連方法主要有彈性探針連接[3]、鉚紐扣連接形式、膜片連接形式[4]等，其中膜片連接方法適用于數(shù)字信號和10 GHz以內(nèi)的射頻信號傳輸測試，對更高頻率的射頻信號的性能測試效果較差；鉚紐扣連接方法可以完成25 GHz以下射頻信號的測試，但其裝配及返修更換非常復(fù)雜，且其插損較大。因此，引入一種易加工易操作、電接觸良好、造價低廉且可重復(fù)使用的BGA封裝測試方法可以為射頻BGA封裝的設(shè)計與加工帶來很大便利。

基于上述需求，本文設(shè)計了一種用于射頻微系統(tǒng)BGA封裝模塊的微波測試夾具，并為其設(shè)計了相應(yīng)校準(zhǔn)件。提出的微波測試方法為免焊接測試，因此具有可重復(fù)使用的特點(diǎn)；對設(shè)計的測試夾具進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果顯示夾具具有良好的電接觸性，且由于其特殊的焊球壓觸點(diǎn)形狀，使用該測試夾具對BGA封裝模塊進(jìn)行測試時對焊球的損壞較??；設(shè)計的測試夾具具有易加工、安裝難度小、取放料方便等優(yōu)點(diǎn)。同時，根據(jù)直通反射延遲線(Through-Reflect-Line，TRL)校準(zhǔn)原理為該測試夾具設(shè)計了相應(yīng)的校準(zhǔn)件并仿真分析，其中開路校準(zhǔn)件的回波損耗小于0.11 dB，接近全反射，直通和延遲線校準(zhǔn)件的插入損耗都小于0.28 dB，滿足TRL校準(zhǔn)的設(shè)計要求，可以有效消除測試夾具帶來的誤差項(xiàng)。

1 測試夾具設(shè)計

測試夾具結(jié)構(gòu)由SMA連接器、過渡板、待測封裝(DUT)固定裝置、DUT定位裝置以及夾具底座組成。SMA連接器用于直接連接測試儀器；由于DUT的信號輸入輸出端口無法直接與連接器相連，因此設(shè)計過渡板用于對BGA焊球到SMA連接器之間的信號傳輸進(jìn)行過渡；DUT固定裝置及定位裝置用于避免待測件在夾具上的位移引起的射頻端口接觸不靈敏，從而影響測試結(jié)果。

圖1 加入DUT后的過渡板模型示意圖

設(shè)計的過渡板模型如圖1所示，其中①為SMA同軸連接器；過渡板基板選擇Rogers RO4350B作為介質(zhì)材料，②和③分別是水平過渡的微帶線與帶狀線，其基板厚度分別為0.127 mm和0.254 mm，帶狀線兩側(cè)布有接地孔，用于連接過渡板基板上下兩側(cè)的金屬地層以及約束傳輸?shù)碾姶判盘枺虎転閭鬏斝盘柕念愅S傳輸電路；⑤為BGA焊球壓觸結(jié)構(gòu)；⑥為連接夾具過渡板與DUT的板間BGA互連電路；虛線框⑦為模擬的DUT模塊。信號通過SMA連接器傳輸?shù)竭^渡板上的微帶線，然后經(jīng)過“微帶-帶狀線-類同軸”的垂直過渡傳輸至壓觸點(diǎn)，通過與壓觸點(diǎn)緊密壓接的BGA焊球?qū)⑿盘杺魅隓UT，再以同樣的方式最終輸出至過渡板另一側(cè)的SMA連接器。

1.1 過渡板互連設(shè)計

傳統(tǒng)BGA測試夾具往往難以兼顧良好的射頻電接觸性和對焊球的低損傷，同時簡單的加工工藝也是需要考慮的重要因素。針對這一問題，對測試夾具中的過渡板進(jìn)行設(shè)計與仿真分析。

被測件是工作在X頻段的射頻微系統(tǒng)BGA封裝模塊。常用的BGA焊球規(guī)格一般為0.3 mm～0.75 mm，焊球直徑越小，板間電信號的連接距離越小，而伴隨著焊球尺寸減小，單個焊點(diǎn)因焦耳熱而產(chǎn)生的熱量也逐漸增加[5]，根據(jù)指標(biāo)需求設(shè)計人員為BGA封裝模塊選擇焊球規(guī)格為0.4 mm[6]。采用ANSYS電磁仿真軟件仿真模擬引入夾具后對待測組件進(jìn)行測試，使用以GaAs為介質(zhì)基板的微帶線來模擬封裝中的芯片，BGA封裝模塊基板材料為氮化鋁(AlN)多層介質(zhì)基板，被測封裝整體尺寸為6 mm×12 mm×1 mm。測試儀器為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。

為保證電路性能，設(shè)計的過渡板使用類同軸結(jié)構(gòu)完成板內(nèi)垂直互連，如圖2(a)所示。同軸線是微波設(shè)計中常用的TEM傳輸線，在均勻介質(zhì)填充的情況下，同軸線的特性阻抗只與內(nèi)外徑的比值有關(guān)，類同軸結(jié)構(gòu)是典型實(shí)現(xiàn)形式之一，兼具同軸線的優(yōu)良特性和簡單工藝，帶寬寬且損耗小。類同軸結(jié)構(gòu)由位于中心的金屬化過孔代替同軸線的內(nèi)導(dǎo)體，用于信號的傳輸；由周圍一圈圓周對稱排布的金屬過孔代替同軸線的外導(dǎo)體，用于信號的接地。同軸結(jié)構(gòu)特性阻抗計算公式如式(1)所示：

其中，a為同軸線內(nèi)導(dǎo)體直徑，b為同軸線外徑，εr為介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)。

圖2 類同軸結(jié)構(gòu)

類同軸結(jié)構(gòu)的初步計算可參考式(1)，其中a為中心信號通孔的半徑；b為類同軸的外半徑，即類同軸截面圓心到接地通孔的距離。影響類同軸結(jié)構(gòu)微波性能的主要參數(shù)如圖2(b)所示。其中，a為中心通孔的半徑，r_out為外圍通孔的半徑，R_G為地板開窗的半徑，R為接地通孔與中心通孔的中心距離，而分布角則表示兩相鄰地孔與結(jié)構(gòu)中心連線的夾角[7]。本設(shè)計中采用45°的分布角，去掉過孔中的1個接地柱并引入帶狀線抽頭，對主要參數(shù)進(jìn)行仿真優(yōu)化，得到最優(yōu)解，從而達(dá)到垂直互連的目的。

根據(jù)被測封裝的尺寸等物理特性設(shè)計相應(yīng)過渡板的結(jié)構(gòu)，并使用ANSYS仿真軟件對過渡板的“BGA-類同軸-微帶線-SMA連接器”的互連結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。設(shè)計的電磁仿真模型如圖3所示，圖3(a)為完整互連模型，圖3(b)僅展示過渡板部分。

圖3 夾具與DUT互連結(jié)構(gòu)電磁仿真模型

在設(shè)計BGA壓觸點(diǎn)的接觸形狀時，設(shè)計了4種接觸形狀，分別為：探針接觸、半球形觸點(diǎn)、鉆石形觸點(diǎn)、圓柱形觸點(diǎn)。4種接觸形狀的壓觸點(diǎn)模型示意圖如圖4中虛線圈內(nèi)所示。

對4種接觸形狀的過渡板與DUT的垂直互連結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真優(yōu)化，其仿真結(jié)果如圖5所示。S11仿真結(jié)果顯示，在使用探針實(shí)現(xiàn)各BGA球與測試夾具過渡板間連通時，由于探針尺寸較長，導(dǎo)致信號射頻傳輸路徑較長，因此引入的測試插損也較大，在8～12 GHz頻段內(nèi)，S11＜-9.5 dB，因此這種壓觸形式不予選擇；在使用半球形觸點(diǎn)、鉆石形觸點(diǎn)和圓柱形觸點(diǎn)連通焊球和過渡板時，這3種接觸形狀的插入損耗 S11均小于-15 dB，其中圓柱形觸點(diǎn)電接觸性最優(yōu)。

圖4 4種過渡板的接觸形狀

圖5 測試夾具與DUT的互連仿真結(jié)果

比較了半球形、鉆石形、圓柱形3種壓觸點(diǎn)形的加工難易程度，由于圓柱形觸點(diǎn)僅需要使用激光打孔技術(shù)在Rogers RO4350B過渡板上開所需大小的階梯孔并沉積金屬層，在三者中加工工藝最為簡單，因此最終將圓柱形觸點(diǎn)作為設(shè)計選擇。

經(jīng)過進(jìn)一步驗(yàn)證，對夾具的頻率可擴(kuò)展性進(jìn)行研究。仿真結(jié)果顯示，采用圓柱形觸點(diǎn)的過渡板與DUT的互連結(jié)構(gòu)在頻率為DC-40 GHz內(nèi) S11＜-18 dB，在低頻至高頻段均電性能良好，因此使用該過渡板的測試夾具具有較好的頻率可擴(kuò)展性。仿真結(jié)果如圖6所示。

1.2 測試夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)工藝要求和實(shí)際操作需求，設(shè)計的測試夾具三維結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。圖8為加入DUT后的夾具操作示意圖。

圖6 過渡板與DUT互連結(jié)構(gòu)在DC-40 GHz仿真結(jié)果

圖7 BGA封裝測試夾具示意圖

圖8 工作狀態(tài)的測試夾具示意圖

設(shè)計的BGA封裝測試夾具由長方體狀的支撐底座、過渡板、加壓彈性金屬片、低頻矩形連接器和SMA同軸連接器組成。為方便SMA連接器裝配，支撐底座兩端凸起，用于焊接SMA同軸連接器。在底座四周設(shè)有安裝腳，可使用螺釘通過安裝腳將夾具固定在散熱冷板上。底座中間開腔用于放置過渡板及待測封裝模塊，通過替換攜帶不同尺寸觸點(diǎn)的過渡板，可以使該測試夾具適用于不同規(guī)格的焊球；在待測封裝放置位置的四角設(shè)計有定位框，用于對待測封裝模塊進(jìn)行限位固定，從而保證焊球精確對位。底座底部焊有低頻矩形連接器，使用金絲鍵合與過渡板背面直流焊盤相連，用于為待測封裝模塊進(jìn)行直流供電。為保證焊球壓觸平衡穩(wěn)定，底座的上端面設(shè)計有對DUT進(jìn)行加壓固定的彈性金屬片，由調(diào)節(jié)螺釘固定在支撐底座上，并在底座上端面開槽以便于加壓金屬片在不工作時可以旋轉(zhuǎn)收起，在工作狀態(tài)時，加壓金屬片旋至DUT上方并旋緊調(diào)節(jié)螺釘，從而對DUT進(jìn)行鎖緊固定。通過以上設(shè)計，使得測試夾具可重復(fù)使用。設(shè)計的BGA封裝測試夾具具有取放料方便、可重復(fù)使用、易加工、安裝難度小等優(yōu)點(diǎn)。

2 TRL校準(zhǔn)件設(shè)計

在使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對DUT進(jìn)行S參數(shù)測試時，測量的原始參考平面往往在儀器內(nèi)部，引入測試夾具后，所得測試結(jié)果包括夾具和DUT兩個部分，因此不可避免地會給DUT的測試帶來誤差?；谶@種問題的存在，對測試系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)是非常必要的。

常用的校準(zhǔn)方法一般有全雙端口校準(zhǔn)(SOLT校準(zhǔn))方法和TRL校準(zhǔn)方法。SOLT校準(zhǔn)即“短路(shor)-開路(open)-負(fù)載(load)-直通(thru)”校準(zhǔn)，其采用 12項(xiàng)誤差模型，可以修正兩個端口方向的傳輸跟蹤、反射跟蹤、負(fù)載匹配、源匹配、串?dāng)_和方向性共12項(xiàng)誤差，對校準(zhǔn)件的精度要求非常嚴(yán)格[8]。TRL校準(zhǔn)即“直通(thru)-反射(reflect)-延遲線(line)”校準(zhǔn)，在對 DUT進(jìn)行 S參數(shù)的測量時，采用8項(xiàng)誤差項(xiàng)校準(zhǔn)模型，相比于傳統(tǒng)SOLT校準(zhǔn)方法更加簡化，如圖9所示。TRL將整個測量結(jié)果看作是“夾具-DUT-夾具”3個網(wǎng)絡(luò)的級聯(lián)，其校準(zhǔn)的準(zhǔn)精確性與校準(zhǔn)件的質(zhì)量僅為部分相關(guān)，只要求傳輸線標(biāo)準(zhǔn)的特性阻抗與系統(tǒng)一致，因此對校準(zhǔn)件的制作要求比SOLT校準(zhǔn)件更低，從而比SOLT校準(zhǔn)方法有著更高的精度[9]。本文選用TRL校準(zhǔn)方法對所設(shè)計的測試夾具進(jìn)行校準(zhǔn)。

圖9 TRL校準(zhǔn)8項(xiàng)誤差模型

TRL校準(zhǔn)方法的原理[10]是采用3個可直接測量出S參數(shù)的校準(zhǔn)件來代替圖9中DUT，從而計算出DUT的真實(shí)S參數(shù)。TRL校準(zhǔn)方法所需校準(zhǔn)件有以下3種：(1)直通校準(zhǔn)件。其設(shè)計要求DUT參考面在校準(zhǔn)件的中央，從而保證其互易性，傳輸延時應(yīng)當(dāng)接近零，特性阻抗與標(biāo)準(zhǔn)接近，并且在校準(zhǔn)參考面上的反射和損耗應(yīng)當(dāng)盡量小。(2)反射校準(zhǔn)件。其要求采用反射系數(shù)很大的負(fù)載，譬如短路或開路。在本文中，由于開路校準(zhǔn)件可以直接由未接DUT的測試夾具代替，因此選用開路反射校準(zhǔn)件。(3)延遲線校準(zhǔn)件。其一般是通過一段匹配傳輸線來代替DUT連接輸入輸出觸點(diǎn)，選擇傳輸線的電長度時，應(yīng)保證與直通校準(zhǔn)件的相位差在 20°～160°之間，傳輸線特性阻抗與直通校準(zhǔn)件盡量保持一致。

進(jìn)行TRL校準(zhǔn)時，如圖10所示，默認(rèn)夾具A和夾具B對稱。在使用夾具對直通校準(zhǔn)件進(jìn)行S參數(shù)測量時，在原始參考面上測量出S參數(shù)：

圖10 TRL校準(zhǔn)方法信號流圖

由于對稱性和互易性，T22=T11，T21=T12。類似地，可測得反射校準(zhǔn)件的S參數(shù)R11和 R22、延遲線校準(zhǔn)件的S參數(shù) L11和 L22，并易知其與 S11、S22、S12的變換關(guān)系。然后聯(lián)立3種校準(zhǔn)件的S參數(shù)方程，計算出DUT兩端包含夾具及電纜等誤差盒的 S11、S22、S12，由于誤差盒對稱，有S21=S12。再把得到的S參數(shù)轉(zhuǎn)換為誤差盒的ABCD參量，便可計算出 DUT 的參量 A′B′C′D′為：

其中，AmBmCmDm為測試夾具工作狀態(tài)時矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的原始參考平面測得的S參數(shù)轉(zhuǎn)換得到的傳輸矩陣參量。

在實(shí)際使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對引入測試夾具的封裝進(jìn)行TRL校準(zhǔn)時，首先分別將延遲線校準(zhǔn)件、開路校準(zhǔn)件、短路校準(zhǔn)件作為被測件，通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量得到三者的S參數(shù)并錄入儀器，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部將上述S參數(shù)轉(zhuǎn)換為ABCD參數(shù)；然后將攜帶DUT的測試夾具作為被測件對其進(jìn)行測試，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀利用前面得到的ABCD參數(shù)以及ABCD參數(shù)矩陣級聯(lián)的特性可以解出所測DUT的ABCD參數(shù)，并將其轉(zhuǎn)換為S參數(shù)輸出，即為所需DUT的測試結(jié)果。

為前文的測試夾具設(shè)計了TRL校準(zhǔn)件，并對其使用ANSYS仿真軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證。開路校準(zhǔn)件由不連接DUT的測試夾具代替，直通校準(zhǔn)件和延遲線校準(zhǔn)件的三維示意圖如圖11所示，為了降低加工復(fù)雜度，設(shè)計的校準(zhǔn)件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)簡化。

圖11 設(shè)計的TRL校準(zhǔn)件

圖12為3種校準(zhǔn)件S參數(shù)仿真結(jié)果。圖12(a)為直通校準(zhǔn)件和延遲線校準(zhǔn)件的S21仿真結(jié)果，圖12(b)為開路校準(zhǔn)件(即測試夾具)的 S11仿真結(jié)果。由圖可知，在DC-40 GHz頻段內(nèi)直通和延遲線校準(zhǔn)件的插入損耗|S21|都小于 1.1 dB，開路校準(zhǔn)件的回波損耗|S11|＜0.88 dB，符合TRL校準(zhǔn)的設(shè)計要求。

圖12 測試夾具及其校準(zhǔn)件的仿真結(jié)果

3 結(jié)論

本文為X頻段的射頻微系統(tǒng)BGA封裝模塊設(shè)計了一款取放料方便、易加工、易操作的測試夾具，用于連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量S參數(shù)。由于其免焊接的特點(diǎn)，因此可以重復(fù)使用。通過對BGA焊球壓觸點(diǎn)形狀的優(yōu)化，采用圓柱形作為壓觸形狀。對測試夾具進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果表明，該測試夾具射頻傳輸性能良好，且頻率可擴(kuò)展至DC-40 GHz。隨后為該測試夾具設(shè)計了相應(yīng)的TRL校準(zhǔn)件并進(jìn)行仿真分析，其中開路校準(zhǔn)件的回波損耗小于0.88 dB，直通和延遲線校準(zhǔn)件的插入損耗都小于1.1 dB，符合TRL校準(zhǔn)的設(shè)計要求。設(shè)計的測試夾具工藝簡單，除應(yīng)用于本文中的待測封裝外，亦可以為其他射頻BGA封裝測試夾具的設(shè)計提供參考。