基于CBGA技術(shù)的雙頻段四通道變頻SiP

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088)

0 引言

隨著相控陣技術(shù)的飛速發(fā)展，相控陣?yán)走_(dá)已然成為當(dāng)今雷達(dá)的重要方向，其能夠?qū)崿F(xiàn)多目標(biāo)跟蹤、多波束掃描、指向靈活、可靠性高等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于星載、彈載、機載、艦載雷達(dá)及地面預(yù)警、跟蹤雷達(dá)與電子對抗、汽車防撞雷達(dá)等軍民領(lǐng)域。數(shù)字陣列雷達(dá)(DAR)是將數(shù)字技術(shù)和雷達(dá)陣列技術(shù)進行完美結(jié)合，在發(fā)射和接收模式下均以數(shù)字波束形成(DBF)取代傳統(tǒng)模擬波束形成(ABF)。數(shù)字陣列模塊將射頻收發(fā)單元、本振功分單元、中頻數(shù)字收發(fā)單元等功能電路一體化設(shè)計，作為數(shù)字陣列雷達(dá)的核心組成部分，其演進發(fā)展使得雷達(dá)陣列系統(tǒng)具有魯棒、可擴充、可重構(gòu)等特性，從而更好地應(yīng)用于不同的領(lǐng)域和作戰(zhàn)平臺。射頻收發(fā)單元作為數(shù)字陣列模塊的重要組成部分，數(shù)量眾多，深入研究其性能指標(biāo)、集成度、可靠性、可制造性，對數(shù)字陣列雷達(dá)技術(shù)發(fā)展具有重要意義。

伴隨著電路及封裝技術(shù)的飛速發(fā)展，系統(tǒng)級封裝(SiP)技術(shù)作為一種新穎的封裝技術(shù)應(yīng)運而生，其定義為將一個或者多個具有不同功能的IC芯片及各種電子元器件整個在同一封裝中，形成單個具有功能齊全的系統(tǒng)或者子系統(tǒng)。相比于傳統(tǒng)的封裝技術(shù)，SiP技術(shù)具有多功能、高集成、成本低、高生產(chǎn)效率及簡化系統(tǒng)設(shè)計等優(yōu)點，在國內(nèi)外掀起一股熱潮。

Yeo等人設(shè)計了一款相控陣?yán)走_(dá)X波段收發(fā)組件，該組件采用3D多層封裝技術(shù)集成了射頻收發(fā)電路與無源傳輸結(jié)構(gòu)，尺寸僅為20 mm×20 mm×3.7 mm。在 0.1～10 GHz 插入損耗小于1.5 dB，回波損耗小于-13.5 dB，整體收發(fā)組件最大輸出功率為39.8 dBm，發(fā)射增益為41 dB，接收增益為19.2 dB，噪聲系數(shù)為6.3 dB。

吳喆等人設(shè)計了一款電路面積30 mm×30 mm的變頻寬帶收發(fā)前端模塊，基于SiP技術(shù)和HTCC基板集成了收發(fā)支路和本振支路。測試結(jié)果得出接收頻率為100～3 500 MHz，功率-100～0 dBm，輸出功率大于-2 dBm，小信號噪聲系數(shù)低于5 dB，雜散抑制度大于20 dBc，發(fā)射支路輸出功率大于12 dBm。

武紅玉等人研制了一種40 mm×40 mm×10 mm的S頻段變頻收發(fā)SiP模塊。模塊主要的測試結(jié)果為接收通道動態(tài)范圍-100～-40 dBm，輸出信號0～2 dBm，噪聲系數(shù)小于等于2.8 dB，帶外抑制大于等于50 dBc；發(fā)射通道輸出信號大于等于2 dBm，雜波抑制大于等于55 dBc。

本文設(shè)計了一款集成S波段和P波段的四通道變頻SiP，滿足高集成、多通道及多種工作狀態(tài)切換的需求，希望對相關(guān)的工程應(yīng)用和設(shè)計研究提供一定幫助。

1 雙頻段四通道變頻SiP設(shè)計

本文中的雙頻段四通道變頻SiP為了數(shù)字陣列模塊射頻電路部分的多功能和多通道集成提供了良好的解決途徑，使得數(shù)字陣列模塊的組成清晰，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，便于調(diào)測、組裝、維修和試驗。雙頻段四通道變頻SiP采用超外差接收原理，利用本振信號在內(nèi)部變頻器中完成前端射頻收發(fā)與中頻數(shù)字收發(fā)的信號頻率轉(zhuǎn)換功能，并且具有信號放大的功能，滿足各級接口的工作電平需求，多通道的設(shè)計需要在高集成小型化的同時保證較高的通道間隔離度。

超外差式接收機變頻器，在本振(LO)信號的作用下，把射頻(RF)信號變成中頻(IF)信號，這個過程可用調(diào)諧方程，即公式(1)來表示：

|×±×|=

(1)

式中：，為正整數(shù)，表示諧波的次數(shù)；為本振LO的頻率，為輸入射頻RF信號的頻率，為中頻的頻率。當(dāng),都等于1時，就可得到最基本的調(diào)諧方程式：

|±|=

(2)

式中，信號頻率的連續(xù)可變就可以把較寬的輸入信號頻率范圍混頻到固定的信號頻率，同時，對于一定的信號頻率和信號頻率，就會對應(yīng)存在鏡像信號頻率，在實際的電路設(shè)計中，我們采用鏡像抑制混頻器和鏡像抑制濾波器來實現(xiàn)鏡像干擾抑制。

從公式(1)中，混頻器除了輸出所需要的頻率外，還有產(chǎn)生許多其他的頻率組合分量，其中，為正整數(shù)。除了所需要的頻率之外，其他頻率的信號一般都叫做虛假信號或者寄生信號，經(jīng)過Genesys軟件仿真，混頻器輸出工作頻率窗口仿真結(jié)果如圖1所示，具體電路設(shè)計中采用雙平衡混頻器，對偶次混頻可實現(xiàn)較高的抑制度，所以可滿足系統(tǒng)使用需求。

圖1 混頻器輸出工作頻率窗口仿真結(jié)果

1.1 SiP電路設(shè)計

本文涉及的SiP采用雙頻段四通道一體化設(shè)計，集成4路S波段變頻和1路P波段雙向放大，S波段變頻通道3和P波段放大共用中頻接口，另外集成了低壓差穩(wěn)壓器(LDO)，本振放大和功分電路，SiP完整的功能框圖如圖2所示。SiP一共有多個控制端口，其中2個為LDO芯片的使能控制， 4個S變頻芯片的收發(fā)切換及增益控制，5個控制P雙向放大芯片的收發(fā)切換及增益，1個控制第三通道工作模式，可選擇P雙向放大或S變頻收發(fā)。在通道之間利用金屬隔墻獨立分腔實現(xiàn)了高隔離度設(shè)計。

圖2 雙頻段四通道變頻SiP功能框圖

雙頻段四通道變頻SiP內(nèi)部主要功能芯片包括S波段變頻多功能芯片和P波段雙向放大器芯片。S波段變頻多功能芯片的收發(fā)通道分別集成了收發(fā)開關(guān)、低噪聲放大器、上變頻器、下變頻器、可變增益放大器和驅(qū)動放大器等多個射頻單元，RF頻率為S波段，中頻為P波段，其芯片電路功能框圖和增益曲線如圖3所示。

(a) 原理框圖

P波段雙向放大器芯片集成了低噪聲放大器、數(shù)控衰減器、驅(qū)動放大器、開關(guān)等單元電路，具有較高的集成度，工作頻率為P波段，增益為38 dB，輸出1 dB壓縮點17 dBm。其原理框圖如圖4所示。

圖4 P波段雙向放大器芯片原理框圖

SiP其余部分選用的放大器、功分器、開關(guān)等芯片，這里就不一一贅述了。

1.2 SiP封裝設(shè)計

球柵陣列(Ball Grid Array，BGA)封裝技術(shù)具有高的封裝密度，同時又具有優(yōu)良的電性能、低噪聲、低寄生電感電容等優(yōu)點，在高速PCB 設(shè)計中得到廣泛的使用，針對射頻SiP封裝互聯(lián)密度高、高頻傳輸性能要求高、可靠性高、重量輕等需求，大量采用球柵陣列(BGA)的封裝形式，BGA按封裝基板材料分主要有4 種基本類型：PBGA、EBGA、CBGA 和TBGA。為滿足靈活多層布線、氣密封裝、低傳輸損耗、高散熱性能、高可靠性等需求，采用高溫共燒陶瓷(HTCC)基板作為封裝基板，通過基板內(nèi)部垂直信號互連和芯片的堆疊集成，高溫焊接可伐(Kovar)金屬圍框，平行縫焊蓋板完成氣密封裝，即陶瓷焊球陣列封裝(CBGA)。雙頻段四通道變頻SiP采用氣密性優(yōu)良的CBGA金屬陶瓷封裝，平面尺寸為20 mm×25 mm，引腳形式為BGA引腳，BGA球直徑為0.65 mm，焊球間距為1 mm，共包含452個引腳。其中厚度為2.0 mm的陶瓷基板選用高溫共燒陶瓷(HTCC)基板，優(yōu)勢在于制作成本較低，與PCB板的熱匹配性較好。圖5展示了雙頻段四通道變頻SiP的剖面示意圖。

圖5 雙頻段四通道變頻SiP結(jié)構(gòu)的剖面示意圖

將變頻SiP實際結(jié)構(gòu)與載荷條件進行同步的仿真，圖6展示出器件的仿真模型與焊球應(yīng)力仿真結(jié)果，仿真結(jié)果表明器件最邊緣的焊球應(yīng)力最大，從中心位置沿邊緣焊球應(yīng)力逐漸增大。據(jù)研究表明，CBGA焊點的剪切應(yīng)變往往影響著焊點的應(yīng)力與形變，而剪切應(yīng)變又被多個參數(shù)所控制，參考如下公式：

(3)

式中，表示焊點的最大剪切應(yīng)變，表示焊點到中心的距離(DNP)，表示焊點的高度，表示試驗最高溫度，表示試驗最低溫度，Δ表示最高溫與最低溫之差，、分別表示PCB與SiP器件的熱膨脹系數(shù)，Δα表示熱膨脹系數(shù)之差。從式中可以看出當(dāng)溫差、熱膨脹系數(shù)差和焊點高度一定時，距離中心點越遠(yuǎn)的焊點剪切應(yīng)變越大，應(yīng)力越大，焊球越容易變形，與試驗和仿真結(jié)果相吻合。

(a) 仿真模型

2 電性能測試與可靠性驗證

最終設(shè)計加工完成的雙頻段四通道變頻SiP實物圖如圖7所示。

圖7 雙頻段四通道變頻SiP實物圖

2.1 SiP電性能測試

針對雙頻段四通道變頻SiP的封裝形式，定制專用測試夾具，完成射頻信號和低頻信號從封裝接口到可測試接口的適配與轉(zhuǎn)換，使用效果圖如圖8所示。

圖8 雙頻段四通道變頻SiP測試夾具效果圖

雙頻段四通道變頻SiP共有4種工作狀態(tài)，即發(fā)射高增益狀態(tài)、發(fā)射低增益狀態(tài)、接收高增益狀態(tài)及接收低增益狀態(tài)，通過P雙向放大功能和S變頻芯片功能的控制碼進行調(diào)整控制，試驗針對SiP在不同工作狀態(tài)下對其進行性能測試驗證。圖9(a)展示了S波段發(fā)射狀態(tài)下SiP 4個通道在工作頻率范圍內(nèi)各頻點的增益圖，橫坐標(biāo)5個頻點工作頻率從左往右依次升高，從圖中可以看出，4個S波段通道的發(fā)射高增益值在30 dB左右，發(fā)射低增益值在14 dB左右。與此同時，圖9(b)展現(xiàn)了接收狀態(tài)下SiP 4個S波段通道在工作頻率范圍內(nèi)各頻點的增益圖，橫坐標(biāo)5個頻點工作頻率到從左往右依次升高，4個通道在各頻點的接收高增益值在48 dB左右，接收低增益值在35 dB左右。在接收狀態(tài)下高增益和低增益的平坦度分別為3.3和1.2 dB。在S波段發(fā)射狀態(tài)下SiP四通道的增益平坦度測試結(jié)果顯示，高增益下的平坦度值較小。在S波段接收狀態(tài)下SiP四通道的增益平坦度測試，高低增益下平坦度一致性較好，四通道的高低增益平坦度差異在于相比于低增益狀態(tài)，高增益狀態(tài)下其波動性相應(yīng)增大。

(a) 發(fā)射狀態(tài)

S波段相鄰?fù)ǖ篱g隔離度大于42 dB，P波段接收增益29 dB， P波段發(fā)射增益30 dB， 輸出P-1 dB大于17 dBm，各頻段各通道信號輸出信雜比均大于65 dB，滿足系統(tǒng)的電性能指標(biāo)要求。

2.2 SiP板級可靠性驗證

雙頻段四通道變頻SiP通過CBGA方式裝配在PCB板上，為了確保整個器件在使用環(huán)境下能達(dá)到可靠的效果，需要對其進行可靠性試驗檢測，常見的方法有溫度循環(huán)試驗，其目的是考核和驗證器件承受極端高溫、極端低溫的能力，以及極端高溫和低溫交替變化對器件的影響。參照J(rèn)ESD22-A104-B的標(biāo)準(zhǔn)，本次溫度循環(huán)試驗設(shè)計為-55～125 ℃的溫度范圍，升降溫速率10 ℃/min，最高溫度和最低溫度各保持15 min，每個周期約占1 h。

采用破壞性物理分析(DPA)方法將經(jīng)歷 100次溫度循環(huán)試驗后的變頻SiP器件沿邊緣切開，如圖10所示，圖10(a)整體展現(xiàn)出每個焊點的界面微觀結(jié)構(gòu)和形態(tài)，圖10(b)顯示的是器件最左側(cè)焊點的放大圖，圖中高鉛焊球未發(fā)生塌陷，上下端均被共晶焊膏包覆，爬錫效果較好。焊球—陶瓷和焊球—PCB板之間產(chǎn)生良好的連接。圖10(c)、(d)分別是中間焊點和最右側(cè)焊點的放大結(jié)構(gòu)圖，相比于中間焊球，邊緣的焊球發(fā)生了微小的變形，但焊點界面未產(chǎn)生裂紋，表明此時積累的熱應(yīng)力還沒損壞焊點界面，裂紋并未萌生，可靠性較高。

圖10 雙頻段四通道變頻SiP器件溫循100次DPA切片圖

3 結(jié)束語

本文研制了一款基于CBGA封裝技術(shù)的雙頻段四通道變頻SiP模塊。采用CBGA射頻信號傳輸形式，縮短了信號傳輸路徑，降低了信號傳輸駐波，一體化HTCC可伐隔金圍框封裝提高了通道間隔離度，又增強了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，各項電性能測試結(jié)果滿足設(shè)計要求，產(chǎn)品的一致性、可靠性、批量可制造性較高，適合工程大批量應(yīng)用。隨著三維高密度封裝技術(shù)的發(fā)展，未來SiP的集成度水平將會繼續(xù)提升。