【導讀】提出了一種在模組底面同時設計彈性互連接口和芯片封裝腔的集成架構，實現了芯片三維堆疊和電路面積的高效利用。重點介紹了三維模組的集成架構、彈性互連結構及裝配工藝、寬帶射頻垂直互連的設計和研究。通過4~18 GHz三維射頻前端模組的試制，驗證了基于彈性互連三維集成架構的技術可行性，該射頻前端模組具有高密度、高可靠、裝配工序簡單靈活的特點，可廣泛應用于超寬帶小型化射頻系統。
為適應軍用電子裝備小型化、陣列化、綜合一體化的迫切需求，寬帶射頻集成與封裝正在向高密度、輕量化、標準化和可擴展的方向發展。
通常采用三維堆疊技術以顯著提高系統的集成度，三維堆疊的實質是把不同芯片與器件在空間上進行垂直集成，減少芯片占用的面積，通過先進工藝來縮短芯片間信號路徑，利用通孔互連來減少引線長度。在利用三維堆疊提升集成密度后，其信號互連密度也越來越高，傳統連接器的互連方式無法適應三維模組對外互連的新要求，需采用一些尺寸及間距更小的互連方法。
本文根據射頻系統高密度集成的需求，分別選用LTCC和毛紐扣作為集成的基板和三維模組的對外互連接口，開展基于彈性互連的三維集成模組研究。通過研究集成架構、寬帶射頻傳輸性能和裝配方式，采用在模組底面同時設置彈性互連接口和芯片封裝的集成方法來實現模組面積的高效利用，并設計了一款典型的4~18 GHz寬帶射頻前端模組進行該三維集成方法的應用驗證。該基于彈性互連的三維模組集成方法具有高密度、高可靠、可擴展及裝配工序簡單靈活的特點，相比傳統集成方式的同類產品功能密度顯著提升。
1 集成架構
基板選擇方面，基于TSV（硅基板穿孔）的硅基堆疊是目前三維集成的熱點方向，但由于在寬帶高頻傳輸和氣密性方面存在技術難度，在軍用電子裝備領域的應用尚未完全見底，而LTCC（低溫共燒陶瓷）基板具有高可靠、高頻傳輸和氣密性方面的優勢，被大量用于高可靠電子設備的高密度集成與封裝。
互連結構選擇方面，BGA（球柵陣列）由于具有互連密度極高、損耗低、布局靈活、互連一致性好的優勢，是三維互連的優選，但由于陶瓷與基于有機材料的射頻母板存在熱失配，較大尺寸模組在不通過二次加固措施下存在溫度沖擊失效的風險。而具有彈性的毛紐扣也是實現三維垂直互連的一種重要手段，其無焊接裝配方式易于重復拆卸和維護，在高低溫和振動環境下也能夠保證連接的良好性，具有較高的可靠性，在航空航天和軍事等應用領域有較多研究。
綜上，為了使三維集成模組達到高密度、高可靠、裝配簡單的目標，結合射頻模組通常對外互連接口不多的特點，本文采用了在LTCC基板雙面布置元器件來實現芯片堆疊，同時在底面的局部區域集中設置彈性互連接口的集成架構，該架構如圖1所示。
圖1 三維模組集成架構示意圖
該三維集成模組主要包含芯片或元器件、LTCC基板、上圍框、上蓋板、下圍框、下蓋板、彈性互連及支撐體。其中，芯片是實現射頻模組對應功能的基礎元件，通常采用裸芯片，這些芯片集成在LTCC基板上設計的對應腔槽內。上、下圍框均與LTCC焊接在一起形成芯片工作所需要的空氣腔結構，并通過上、下蓋板實現對所有芯片的氣密性封裝。在LTCC的背面局部區域設計對外互連焊盤，通過彈性互連及支撐體結構實現整個模組多信號的對外互連。
本集成架構利用LTCC基板的寬帶高頻、任意層互連及自氣密優勢、彈性互連的高密度及工藝兼容性強的特點，實現器件集成密度有效提升，對外互連接口及氣密封裝的體積占用率降低，同時由于結構及裝配工序簡單，可免焊接無損拆裝，從而具備良好的可生產性和可維護性。
2 彈性互連及裝配
2.1 彈性互連結構設計
毛紐扣是提供彈性互連的核心部分，它是將金屬線（如Au/BeCu、Au/Mo、Au/W、Au/NiCr）根據形狀和高度模壓成形，如圖2所示。
圖2 毛紐扣實物圖
根據設計需要，毛紐扣可采用多種布局和結構方式。多個低頻電信號連接一般采用陣列布局形式，而寬帶射頻信號則多采用類同軸布局形式。在結構上可用于PCB/LTCC板間互連、器件與PCB/LTCC互連、插頭/接口、夾層連接器，其堆疊結構可以采用單個毛紐扣、毛紐扣/毛紐扣、毛紐扣/導體/毛紐扣、毛紐扣/硬帽、毛紐扣/焊點、硬帽/毛紐扣/硬帽、硬帽/毛紐扣/焊點多種組合形式。通常情況下為了保證連接可靠性，一般將毛紐扣與相應的硬帽配同使用，其典型裝配形式如圖3所示。
圖3 毛紐扣/硬帽裝配形式
本文由于毛紐扣集成在三維模組產品中，為了保證產品的長期可靠性，即采用硬帽對外的方式，在裝配過程中，先將硬帽塞進支撐體孔中，再安裝毛紐扣，最后將整個包含毛紐扣、硬帽和支撐體的互連結構裝入圍框中。
2.2 裝配及封裝方式設計
利用毛紐扣實現射頻和直流信號的垂直互連，要實現其最終性能，除了互連結構尺寸設計方面因素外，還需考慮毛紐扣與上下基板之間、導體之間的精確對位和可靠壓緊，以及支撐介質材料和金屬材料與基板材料間的熱匹配關系。
本文通過在圍框上設計定位銷并在對應PCB母板上開銷釘孔以保證對位精度，同時通過4顆均勻分布的螺釘實現整個三維模組至PCB母板的鎖緊。為避免毛紐扣過度壓縮導致形變，通過對支撐材料孔結構尺寸以及上下基板間距的設計使毛紐扣處于約20%壓縮狀態。整個三維集成模組底面的裝配如圖4所示。
圖4 三維模組底面裝配示意圖
3 寬帶射頻垂直互連
在雙面布置器件及LTCC基板任意層互連的基礎上，芯片與基板的寬帶射頻傳輸通過基板開腔和共地來保證，但由于存在雙面芯片的信號互連和外部射頻信號經過基板內部與芯片互連，射頻信號的過渡需穿過整個基板到達表面進行傳輸，因此需對其中的寬帶互連結構進行對應的匹配設計和仿真以解決傳輸過程中的寬帶失配問題。
此外，由于毛紐扣的互連高度相比BGA偏高，應用中會引入較強的電感效應，需在兩側基板設計和優化匹配結構，使其寬帶傳輸頻率滿足18 GHz應用需求，針對LTCC帶狀線通過毛紐扣至PCB母板的垂直互連結構進行建模仿真。基于HFSS構建的三維仿真模型如圖5所示，最終的仿真結果如圖6所示。
圖5 仿真模型示意圖
圖6 仿真結果
可見單個互連結構在18 GHz內插損小于0.3 dB，駐波小于1.6，滿足本文寬帶射頻前端的應用需求。
4 射頻前端模組設計實現
4.1 寬帶射頻前端鏈路
本文設計的射頻前端模組實現4~18 GHz放大預選濾波功能，含1位數控衰減，并配備寬帶均衡。射頻通道功能鏈路框圖如圖7所示。
圖7 射頻前端鏈路框圖
鏈路設計上通過第一級放大保證模組的噪聲，利用數控衰減實現一定的增益調整能力，通過開關濾波器組將4~18 GHz信號分為4段進行頻率選擇，并采用兩級濾波的方式提高帶外抑制能力，兩級濾波之前增加放大器以提升整個通道的增益。
4.2 三維集成模組實現
為充分驗證本文提出的集成架構，經過三維集成及裝配方法、寬帶射頻互連結構建模仿真及功能鏈路設計方面的研究，完成了基于彈性互連的三維射頻前端模組的試制，該模組如圖8所示，外形尺寸為25 mm×18 mm×8 mm（含安裝孔），質量小于15 g。
圖8 三維集成模組樣件
利用矢量網絡分析儀和測試夾具對該模組進行了實物測試，全頻段測試曲線如圖9所示。該射頻前端模組在4~18 GHz實現約25 dB的增益，同時對帶外信號實現50 dBc的抑制。相比傳統集成方式的同類產品，該模組的功能密度顯著提升，相關成果也應用于某微系統集成接收系統中，效果明顯。
圖9 三維集成模組實測曲線
5 結論
本文基于LTCC基板和毛紐扣彈性互連，提出一種在模組底面同時設置彈性互連接口和芯片封裝腔的集成架構，實現三維堆疊和電路面積的高效利用。通過4~18 GHz寬帶射頻前端模組的試制完成該集成方法及相關裝配工藝的應用驗證，該集成架構和方法具有高密度、高可靠、可擴展及裝配工序簡單靈活的特點，在軍用電子裝備小型化應用中有較高的工程推廣價值。
作者：盧子焱，張繼帆，董東，韓思揚，彭文超
來源：電子工藝技術
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