基于高溫共燒陶瓷技術的多層基板是實現(xiàn)組件小型化、輕量化、高可靠的有效手段。文中研究了基于HTCC 技術的多層基板三維立體互連結構，包括基板內垂直轉換及基板間立體互連。通過仿真優(yōu)化設計，實測結果表明，文中所設計的多種結構能夠有效地應用于組件三維互連中。

隨著單片微波集成電路( Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC) 和組裝互連技術的快速發(fā)展，有源相控陣技術在軍用和民用電子裝備中得到越來越廣泛的應用。先進的相控陣天線需要大量重量輕、體積小、高可靠和低成本的微波組件，推動微波電路技術向單片微波集成電路、多芯片模塊( Multi Chip Model，MCM) 和三維集成電路方向發(fā)展。

三維集成電路是在二維 MMCM 的基礎上，將傳統(tǒng)二維組裝和互連技術向三維發(fā)展而實現(xiàn)的三維立體結構的微波電路。在三維微波組件的研制中，許多新材料、新封裝和新互連工藝得到了廣泛應用。其中，基于高溫共燒陶瓷(HTCC)［1－4］技術的多層基板技術受到越來越多的關注。氮化鋁( AlN) 陶瓷作為一種典型的高溫共燒陶瓷，是一種新型的高導熱基板和封裝材料，具有高熱導率、低熱膨脹系數(shù)、低介電常數(shù)和低介質損耗、高機械強度等特點。AlN 多層基板加工流程與低溫共燒陶瓷(LTCC)［5－8］類似，由生瓷片經過打孔、填充、印刷、層壓、切割、共燒和鍍涂等工藝加工而成。

相比于LTCC技術，HTCC技術如AlN具有更高的熱導率(AlN約為170 W/(m·K)，LTCC約為3 W/(m·K))和更高的機械強度，廣泛應用于高功率電子領域。AlN多層陶瓷技術能夠實現(xiàn)電性能、熱性能和機械性能的優(yōu)化設計，能夠滿足器件、模塊和組件的高功率、高密度、小型化和高可靠要求。

為設計高性能的微波組件，需對多層基板的各種轉換電路和互連進行研究。本文研究了基于HTCC技術的多層基板內部多種傳輸線結構的垂直轉換電路及基板間立體互連電路。所有電路都是由三維電磁仿真軟件HFSS設計優(yōu)化完成，并將加工實物與仿真結果進行對比。結果表明，提出的多種轉換電路在18 GHz范圍內能滿足微波組件的應用。

01

基板內三維互連

因HTCC-AlN基板中內層金屬為鎢，損耗較大，應盡量減少垂直過孔穿層層數(shù)。研究中首先分析了共面波導－帶線、共面波導－共面波導 6 層垂直過渡的結構形式。兩種過渡形式均由基板的一面通過過孔背穿到另一面，仿真模型、測試結果及實物如圖1～圖3所示。由圖2的測試結果可知，在2～18 GHz的范圍內，這兩種垂直過渡形式插損基本＜1 dB，駐波＜1.8。

圖1 共面波導-微帶線、共面波導-共面波導垂直過渡電路仿真模型

圖2 共面波導-微帶線、共面波導-共面波導垂直過渡電路測試結果

圖3 共面波導-微帶線、共面波導-共面波導垂直過渡電路測試夾具

圖4 共面波導-帶線、微帶-帶線垂直過渡電路仿真模型

圖5 共面波導-帶線、微帶-帶線垂直過渡電路測試結果

圖6 共面波導-帶線、微帶-帶線垂直過渡電路測試夾具

在組件實際應用中，考慮到電磁兼容問題，經常會用到帶線這種傳輸線形式，而在互連端口為測試方便，常采用微帶或共面波導形式，這就涉及到微帶或共面波導到帶線的垂直過渡， 圖4～圖6給出了兩種過渡形式的仿真模型、測試結果及測試夾具實物圖。

為方便測試，帶線輸出端經共面波導轉換輸出，其中共面波導、微帶為2層結構，帶線為6層結構，AlN基板共8層。測試中為驗證夾具的影響，對比了探針臺測試和帶夾具測試的結果。由圖5可知，在2～18 GHz范圍內，插損基本＜1.3 dB，駐波在14 GHz以內＜1.5，18 GHz以內＜2，夾具會引入0.3～0.5 dB插損，同時會惡化駐波。

仿真中，為匹配過孔穿層的影響，需對垂直過渡電路進行優(yōu)化。

圖7 垂直過渡關鍵電路模型

圖7給出了垂直過渡電路的大致模型，當過孔由上層過渡到下層時，會有一段附加的垂直傳輸線，該段傳輸線可以等效為電感，其值近似為［9］

式中，Δl為垂直連接線的長度; v為自由空間的波速; γ為歐拉常數(shù);w為微帶線寬度;εr為微帶線等效介電參數(shù)。這個電感與微帶線原有的電感串聯(lián)，導致在過渡段微帶線的總電感增加到

這樣如果不加補償，該過渡段微帶線的特性阻抗變?yōu)?/p>

而過渡段外微帶線的特性阻抗仍然是

這樣兩邊阻抗不同引起了反射.為此需要引入補償電容ΔC使得過渡段的特性阻抗仍然保持在Z0，即令

因此補償電容值應為

在結構上，在垂直通孔與傳輸線的連接處的圓盤狀導體提供了所需的補償電容，同時，圓盤狀導體的引入會改變傳輸線的阻抗，需引入額外的阻抗匹配枝節(jié)進行匹配，從而減小垂直穿層的影響。仿真中主要優(yōu)化圓盤及過渡枝節(jié)的尺寸，從而得到最優(yōu)的過渡結構。

02

基板間三維互連

除AlN基板內部的垂直互連外，在實際組件應用中，還會遇到基板間立體互連的情況。本研究通過仿真驗證球狀柵列(BGA)［10］焊球實現(xiàn)基板間三維立體互連的形式，提升三維設計能力。

圖8～圖10給出了兩塊AlN基板(均6層) 通過BGA立體互連的仿真模型、測試夾具及測試結果。下層AlN基板內部帶線通過過孔過渡到基板表面，表面焊盤通過BGA焊球直接與上層 AlN基板底面焊盤相連。為方便實物測試，帶線輸出端口均通過共面波導過渡輸出。由圖可知，該過渡模型在14 GHz范圍內，插損＜1 dB， 駐波＜1. 5。頻率增大時，駐波有所惡化，最大約為1.8。通過上述BGA過渡方式的研究，驗證了BGA三維立體互連的可行性。

圖8 AlN基板帶狀線－BGA－帶狀線過渡仿真模型

圖9 AlN基板帶狀線－BGA－帶狀線過渡測試夾具

圖10 AlN基板帶狀線－BGA－帶狀線過渡測試結果

03

結 束 語

介紹了基于HTCC多層基板的三維互連技術，包括基板內部垂直互連和基板間立體互連。通過對過渡結構進行理論分析，利用三維電磁仿真軟件優(yōu)化設計，得到各種過渡形式的最佳結構，并加工實物予以驗證。 測試結果表明，在18 GHz范圍內，所提出的各種過渡結構插損基本＜1 dB，駐波＜ 1.5，均能很好地應用于三維集成組件設計中。

審核編輯 ：李倩