毫米波CQFN 外殼地孔設(shè)計與優(yōu)化

周 昊，顏匯锃，施夢僑，程 凱

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所，江蘇 南京 210016）

0 引言

在器件技術(shù)的推動下，單片微波集成電路（MMIC）向著毫米波和多功能應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展[1-2]。封裝外殼作為連接芯片與外部電路的唯一橋梁，其不僅承擔(dān)了機械支撐的外部保護(hù)作用，還是信號傳輸?shù)闹匾ǖ?。適用于微波電路封裝的陶瓷外殼逐漸向高頻率、高功率、高集成和高可靠的方向發(fā)展。利用高溫共燒技術(shù)制備的四側(cè)無引線扁平陶瓷（Ceramic Quard Flat No-lead，CQFN）外殼具備結(jié)構(gòu)強度高、耐惡劣環(huán)境以及在測試、安裝過程中不存在引腳受外界應(yīng)力而產(chǎn)生形變等優(yōu)點，可以保證集成電路封裝的可靠性，以滿足長期儲存、高可靠等要求比較高的環(huán)境中使用。與SOIC、TSOP、QFP 和TQFP 等封裝形式相比，CQFN 型外殼在封裝面積、封裝高度、封裝重量和寄生效應(yīng)等方面均有優(yōu)異特性[3-4]。因此，CQFN 外殼逐漸成為MMIC 的主要封裝形式。

與一般集成電路封裝需求相比，適用于微波電路的CQFN 型外殼在設(shè)計和加工制造方面難度更大。在微波設(shè)計方面，中國電科55 所陸續(xù)報道了多款覆蓋C 波段、X 波段和Ku 波段的陶瓷外殼[5-8]。在制造工藝方面，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計和關(guān)鍵工藝技術(shù)的突破，重點解決了小節(jié)距陶瓷外殼產(chǎn)品的沖孔、注漿、細(xì)線條金屬化印刷問題，CQFN 型外殼的節(jié)距可覆蓋至0.50 mm[9-10]。

由于CQFN 型外殼的封裝尺寸小，增加了高頻微波傳輸設(shè)計的難度。本文介紹了一款基于HTCC 技術(shù)的CQFN 型外殼，重點對陶瓷外殼微波傳輸通道的屏蔽地孔進(jìn)行了設(shè)計與優(yōu)化，其使用頻率覆蓋至40 GHz，可為同類型產(chǎn)品設(shè)計提供借鑒意義。

1 CQFN 型外殼結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的CQFN 型陶瓷外殼尺寸為7 mm×7 mm×1.2 mm，其包含金屬封接框、金屬熱沉、陶瓷框和陶瓷蓋板。封接框材料為可伐合金、熱沉材料為銅-鉬銅-銅（1：4：1）合金，陶瓷框和蓋板均采用中國電科55 所自行研制的AW01 陶瓷材料，氧化鋁占比約為 92%，介電常數(shù)為9.2±0.2，介質(zhì)損耗角正切為0.001。外殼結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示。

圖1 CQFN 型外殼結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)工程經(jīng)驗，X 波段及其以上頻率的微波外殼的表層傳輸線設(shè)計多采用共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)不僅可以實現(xiàn)更小的輻射損耗，同時也方便探針實現(xiàn)無損測試。為了實現(xiàn)在0.1 GHz～40 GHz 的全頻帶毫米波信號的低損耗傳輸，本文的CQFN 外殼表層和底層傳輸線均采用了共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

陶瓷基板內(nèi)層垂直傳輸線借鑒同軸傳輸線的設(shè)計思路，在垂直信號線四周加工環(huán)繞通孔，利用多個垂直過孔結(jié)構(gòu)形成貫穿于陶瓷的密級通孔柵結(jié)構(gòu)。一方面，該結(jié)構(gòu)可以有效抑制高頻信號在相鄰傳輸線之間的耦合及串?dāng)_，改善高頻傳輸線本身的傳輸性能；另一方面，該結(jié)構(gòu)可以有效屏蔽電磁能量的泄露，減小寄生效應(yīng)和諧振，提高傳輸通道的傳輸性能。考慮到地孔位置、地孔與傳輸線的距離、地孔與地孔間距等參數(shù)均對高頻信號在陶瓷基板內(nèi)部傳輸具有重要影響，因此毫米波陶瓷外殼研制需要充分考慮地孔的設(shè)計與優(yōu)化，以改善外殼微波傳輸性能。

2 地孔設(shè)計與優(yōu)化

根據(jù)阻抗匹配理論對表層的傳輸線進(jìn)行了初步計算，提取了陶瓷基板的關(guān)鍵參數(shù)，利用HFSS 仿真軟件建立計算模型，如圖2 所示。外殼的三維傳輸通道主要分為兩部分，分別是表層平面?zhèn)鬏斁€和內(nèi)層垂直傳輸線。整個微波傳輸空間尺寸約為2.50 mm×3.00 mm。其中，表層信號線寬度W1=0.25 mm，表層地與信號線間隙S1=0.27 mm，中間地距離底層高度h1=0.25 mm，傳輸結(jié)構(gòu)總高h(yuǎn)=0.50 mm。

圖2 外殼單個射頻引腳三維互聯(lián)仿真結(jié)構(gòu)

在0.1 GHz～40 GHz 的寬頻率范圍內(nèi)對陶瓷傳輸結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了初始仿真，結(jié)果如圖3 所示。在22.5 GHz處，外殼端口的插入損耗高達(dá)6.2 dB。外殼封帽之后形成了封閉的矩形腔體，當(dāng)封裝頻率到達(dá)毫米波時，容易激發(fā)腔體諧振。矩形諧振腔的基模諧振頻率計算公式為：

圖3 射頻端口的仿真結(jié)果

其中，a和b分別指的是腔體的長和寬，將本文所述陶瓷外殼的長和寬分別代入并計算，可排除由于外殼腔體尺寸引起的電磁諧振。有文獻(xiàn)結(jié)果表明[11-12]，當(dāng)上述結(jié)構(gòu)中的金屬化孔的直徑d、孔間距p和介質(zhì)波長λ分別滿足：p＜λ/4,p＜4d時，電磁場能量就不會從金屬孔之間的縫隙中泄漏出去。利用HFSS 軟件計算并分析上述頻點處的電磁能量分布情況，發(fā)現(xiàn)氧化鋁基板內(nèi)存在較大程度的電磁泄漏，如圖4 所示。高頻信號在該結(jié)構(gòu)傳輸過程中產(chǎn)生了明顯的寄生耦合效應(yīng)。該頻點處的電磁場輻射進(jìn)而導(dǎo)致外殼傳輸端口在目標(biāo)頻帶內(nèi)性能惡化。

因此，為了進(jìn)一步尋求地孔分布位置與電磁能量泄露方向的關(guān)系，對垂直傳輸和水平傳輸兩個維度分別進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 垂直傳輸優(yōu)化

分析圖4 電場分布情況，可知接地金屬通孔在內(nèi)埋地和表層傳輸線形成的兩平板間激發(fā)起了圓柱形TEM平板模，進(jìn)而造成較大程度的電磁場輻射，對傳輸結(jié)果造成影響。為了減少上述問題對傳輸性能的影響，綜合考慮地孔間距p、地孔通孔數(shù)量n和地孔分布角度α等關(guān)鍵參數(shù)，對傳輸結(jié)構(gòu)作優(yōu)化。在相鄰地孔間增加外圈地孔，其分布如圖5 圓形虛線標(biāo)注的位置所示。繼續(xù)使用HFSS 軟件對優(yōu)化后的模型在0.1 GHz～40 GHz 的寬頻率范圍進(jìn)行計算，仿真結(jié)果及傳輸端附近的電場分布分別如圖5、圖6 所示。

圖4 傳輸端附近的電場分布

圖5 增加外圈地孔后傳輸端附近的電場分布

圖6 增加外圈地孔后射頻端口的仿真結(jié)果

圖6 的計算結(jié)果顯示，外殼傳輸端口經(jīng)過優(yōu)化后，其最大插入損耗約為3.9 dB，較初始模型的端口損耗有較大降幅。分析認(rèn)為，通過增加外圈地孔，有效改善了垂直信號線周圍的電磁場泄露，對平板間的圓柱形TEM平板模有積極改善作用。其主要表現(xiàn)為兩點，一方面，初始模型中22.5 GHz 頻點處的諧振坑消除，端口的惡化問題由低頻向高頻轉(zhuǎn)變；另一方面，垂直過孔附近的電磁泄漏在分布和強度上都得到了明顯改善，其場強隨著信號線與通孔距離的增加發(fā)生明顯衰減。

2.2 水平傳輸優(yōu)化

盡管外圈地孔的增加減少了垂直方向寄生模式的產(chǎn)生和傳播，但是從水平方向看，表層傳輸線周圍仍存在一定程度的電磁場泄露，無法滿足毫米波高頻器件的封裝需求。在信號線兩側(cè)做第3 圈垂直接地孔的設(shè)計優(yōu)化，增加信號線與陶瓷邊緣處的通孔柵結(jié)構(gòu)，其分布如圖7 中矩形虛線標(biāo)注的位置所示。

圖7 增加了圈地孔后傳輸端附近的電場分布

圖7、圖8 所示仿真結(jié)果及傳輸端附近的電場分布顯示，使用3 圈地孔設(shè)計的傳模型在0.1 GHz～40 GHz的寬頻率范圍獲得了較為理想的結(jié)果，外殼的端口插入損耗約為0.60 dB，電壓駐波比≤1.50，且仿真曲線光滑，目標(biāo)頻段內(nèi)無突變點。電磁能量被傳輸結(jié)構(gòu)較好地約束在了陶瓷介質(zhì)內(nèi)的通道內(nèi)，無明顯的電磁輻射能量泄露。分析認(rèn)為，信號線兩側(cè)的陣列地孔有效阻擋了平板模式下電磁波，其傳播能量沿陣列方向急劇衰減，直到衰減到寄生的場影響足夠小。兩側(cè)的地孔分布從源頭上消除了寄生平板模式，特別是在高頻段獲得了較為理想的微波傳輸性能。

3 測試結(jié)果及分析

本文所設(shè)計的毫米波CQFN 型封裝外殼由中國電科55 所封裝事業(yè)部HTCC 工藝線制造與生產(chǎn)。采用Agilent 公司型號為N5224A 的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、Cascade 公司型號為PM5 的探針臺對樣品進(jìn)行測試。為了貼近用戶的實際使用狀態(tài)，采用介質(zhì)材料為Rogers 5880 的高頻測試板。測試板的傳輸端口結(jié)構(gòu)與外殼一樣，均使用了共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征阻抗為50 Ω。

射頻輸入通道的測試結(jié)果如圖9 所示。結(jié)果顯示，在增加了測試板后，端口的插入損耗出現(xiàn)一定程度的惡化。分析認(rèn)為，由于高頻測試板的焊盤寬度小，增加了外殼焊接對位的難度，易造成額外的損耗。后續(xù)工作需要進(jìn)一步尋求誤差更小的測試方案。

圖9 外殼射頻傳輸通道微波測試結(jié)果

4 結(jié)論

基于HTCC 工藝，設(shè)計了一款覆蓋0.1 GHz～40 GHz 范圍的CQFN 型外殼，對傳輸通道的地孔分布設(shè)計作了優(yōu)化。研究結(jié)果顯示，不同分布區(qū)域的地孔與電磁屏蔽的關(guān)聯(lián)不一致。內(nèi)圈地孔設(shè)計多為改善垂直方向的能量泄露，對平板間的圓柱形TEM 平板模有積極改善作用；外圈地孔設(shè)計多為改善水平方向的能量泄露，對平板模式下電磁波能量泄露的作用更為明顯。多圈地孔的設(shè)計保證了毫米波陶瓷外殼的微波信號傳輸，測試結(jié)果和仿真結(jié)果一致，可為同類型產(chǎn)品設(shè)計提供借鑒意義。本次設(shè)計的傳輸通道尺寸約為2 mm×3 mm，其占據(jù)封裝外殼的空間仍然較大，后續(xù)工作仍需要進(jìn)一步優(yōu)化傳輸尺寸，以進(jìn)一步提高封裝的小型化。