季宏凱 王蘊(yùn)玉 劉元昆 宋家錦

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 安徽省合肥市 230031）

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的快速發(fā)展，電子裝備越來越小型化和高集成化，對封裝技術(shù)提出了越來越高的要求。而具有高集成特征的系統(tǒng)級封裝技術(shù)（SiP,System in Package）的快速發(fā)展正是促進(jìn)微系統(tǒng)封裝技術(shù)變革和創(chuàng)新的主要驅(qū)動(dòng)力。另一方面，隨著微系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的不斷深入，寬帶射頻信號(hào)的傳輸也同樣面臨小型化和高密度等挑戰(zhàn)，基于連接器和射頻電纜的方式已經(jīng)難以滿足集成要求[2]。以TSV 為核心的三維微系統(tǒng)封裝技術(shù)已經(jīng)被廣泛認(rèn)為是未來微系統(tǒng)封裝的主導(dǎo)技術(shù)。與傳統(tǒng)的2D 封裝相比，基于TSV 轉(zhuǎn)接板的三維微系統(tǒng)封裝，大大縮短了走線長度，降低了信號(hào)的損耗。轉(zhuǎn)接板的布線寬度更小，布線密度更高，因此能滿足射頻電子裝備性能日益強(qiáng)勁的需求[3-4]。

基于TSV 硅轉(zhuǎn)接板的垂直互聯(lián)作為3D 集成封裝的關(guān)鍵技術(shù)之一，已經(jīng)成為了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的一個(gè)熱點(diǎn)研究課題。本文設(shè)計(jì)了一種基于TSV 硅轉(zhuǎn)接板與BGA 的垂直互聯(lián)傳輸結(jié)構(gòu)，通過模擬仿真驗(yàn)證了基于TSV 轉(zhuǎn)接板的BGA 封裝在0.5-40GHz 的頻率范圍內(nèi)具有良好的射頻傳輸性能，解決了三維集成中寬帶射頻低成本低垂直傳輸損耗的問題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了集成方便的特性，可廣泛應(yīng)用在SIP 封裝的射頻功能單元和表貼式組裝中。

1 基于TSV轉(zhuǎn)接板的三維微系統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)

在基于TSV 轉(zhuǎn)接板的三維微系統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)接板承載多個(gè)芯片間的互聯(lián)，TSV 是位于硅轉(zhuǎn)接板中的垂直互連結(jié)構(gòu)，芯片通過金絲鍵合或者微凸點(diǎn)（Bump）與轉(zhuǎn)接板上的RDL 連接，再通過TSV 和背面的BGA 連到PCB 封裝基板上，BGA 作為硅轉(zhuǎn)接板與PCB 基板間的射頻信號(hào)層間垂直互聯(lián)傳輸。

本文設(shè)計(jì)了一種基于TSV 轉(zhuǎn)接板的三維微系統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)，如圖1所示，該結(jié)構(gòu)用于傳輸0.5-40GHz 的寬帶射頻信號(hào)。圖1 描述了射頻信號(hào)的傳輸路徑，包括一個(gè)共面波導(dǎo)，TSV 準(zhǔn)同軸，BGA焊球和PCB 中的帶狀線。PCB 中采用帶狀線是為了減小基板損耗，同時(shí)減小上下基板間的串?dāng)_。轉(zhuǎn)接板上采用共面波導(dǎo)是為了減小信號(hào)串?dāng)_。TSV 準(zhǔn)同軸結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是較優(yōu)的射頻傳輸結(jié)構(gòu)[5]。在射頻傳輸中，需要考慮阻抗匹配，因此BGA 被用作射頻傳輸時(shí)，也應(yīng)該采用準(zhǔn)同軸結(jié)構(gòu)的BGA 焊球排布方式，即中間是信號(hào)傳輸點(diǎn)，周圍6 個(gè)焊球接地[6]。

圖1：基于TSV 轉(zhuǎn)接板的三維微系統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)

圖2：基于TSV 轉(zhuǎn)接板的三維封裝的寬帶射頻傳輸模型及S 參數(shù)仿真

2 基于TSV轉(zhuǎn)接板的三維微系統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)的垂直互聯(lián)傳輸模型

圖3：阻抗匹配優(yōu)化

圖4：S11 隨BGA 半徑的變化

根據(jù)射頻特點(diǎn)，加工方便性，以及熱膨脹系數(shù)等要求，選用具有良好射頻性能的CLTE-XT 作為射頻PCB 基板。該基板的介電常數(shù)為2.94，損耗角正切為0.0012，熱膨脹系數(shù)為8。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路，本研究使用HFSS 三維電磁場模型來仿真基于TSV 轉(zhuǎn)接板的三維封裝的寬帶射頻傳輸性能。如圖2（a）所示為基于TSV 轉(zhuǎn)接板的三維封裝的寬帶射頻傳輸模型。為了具有良好的射頻性能和機(jī)械強(qiáng)度，每層PCB 基板的厚度都為0.254mm。硅轉(zhuǎn)接板根據(jù)工藝條件[7]，設(shè)置其厚度為200um，TSV 通孔直徑為30 um。BGA 焊球選用直徑為0.5mm 的球形，并且上下切掉10%的高度用來模擬真實(shí)BGA 焊球回流焊后的形狀，焊球間距為1mm。

圖5：S11 隨rc 和r 變量變化的對應(yīng)圖

0.5-40 GHz 頻段的仿真結(jié)果曲線如圖2（b）所示，S11 在0.5-25GHz 頻段內(nèi)小于-15dB，在25-40GHz 頻段內(nèi)的S11 性能惡化。S21 在0.5-40GHz 內(nèi)小于1.8dB。在25-40Ghz 的毫米波頻段內(nèi)，性能惡化主要原因是阻抗匹配沒有優(yōu)化，導(dǎo)致在毫米波頻段，其反射較大。

為了優(yōu)化其在毫米波頻段內(nèi)的性能，保證0.5-40Ghz 的寬帶頻率范圍內(nèi)都擁有良好的性能，對硅轉(zhuǎn)接板上共面波導(dǎo)到TSV 準(zhǔn)同軸處的阻抗進(jìn)行了匹配，如圖3（a）所示，加了一段阻抗匹配枝節(jié)。該阻抗匹配枝節(jié)的寬度為0.19mm，長度為1mm。

增加了阻抗匹配后的垂直互聯(lián)模型的S 參數(shù)仿真如圖3（b）所示，在25-40GHz 的頻段范圍內(nèi)形成了諧振點(diǎn)，使得在25-35GHz頻段內(nèi)S11 小于-20dB，S21 在0.5-40GHz 頻段內(nèi)小于1.5dB?？梢钥闯觯黾恿俗杩蛊ヅ浜?，該垂直傳輸模型在高頻段性能得到提升，在低頻段如10-25GHz 范圍內(nèi)，性能略有下降，其S11 小于-13dB。因此在使用該封裝模型時(shí)，應(yīng)根據(jù)封裝的實(shí)際頻段來選擇是否需要增加阻抗匹配，如果更關(guān)注高頻（25-40Ghz）的性能，則需要增加阻抗匹配。

圖4 是基于TSV 轉(zhuǎn)接板的三維封裝的寬帶射頻傳輸模型隨BGA 半徑的變化的S 參數(shù)仿真圖。從圖中可以看出，隨著BGA 焊球半徑的增大，S11 頻率往低端偏移的同時(shí)，性能也會(huì)惡化。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，需要選擇球徑變化小的BGA 球，同時(shí)在焊接過程中，應(yīng)注意回流溫度，減小層間的高度裝配誤差，與廠家給出的BGA焊接后的半徑保持一致，以減小焊接誤差對性能的影響。

圖5 是對基于TSV 轉(zhuǎn)接板的三維封裝的寬帶射頻傳輸封裝結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)和加工過程中其他容易對性能造成影響的幾個(gè)因素進(jìn)行的仿真分析。從圖5（a）可以看出，隨著轉(zhuǎn)接板上層的焊盤半徑rc的減小，S11 會(huì)往低頻段偏移，但S11 在rc 的變化過程中都保持了較好的曲線形狀。圖5（b）是S11 隨著PCB 層間通孔半徑r 的變化情況，可以看出，隨著r 的增大，S11 往低頻段偏移，且在半徑增大過程中，性能有惡化。因此，在該傳輸封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該著重關(guān)注PCB 的層間通孔r 并進(jìn)行適當(dāng)微調(diào)，以便在后續(xù)的加工過程中，保證設(shè)計(jì)時(shí)的性能。

3 結(jié)束語

本文針對以TSV 和BGA 為核心的2.5D/3D 集成封裝技術(shù)，基于微波傳輸理論，利用HFSS 建模仿真，設(shè)計(jì)了一種基于TSV 轉(zhuǎn)接板的三維微系統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)的寬帶垂直互聯(lián)傳輸結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了0.5-40GHz 頻段內(nèi)的低損耗垂直傳輸，通過仿真表明，該結(jié)構(gòu)在0.5-40GHz 內(nèi)插損小于1.5dB，能夠滿足寬帶微波SIP 系統(tǒng)中的射頻信號(hào)垂直過渡傳輸要求。同時(shí)分析了BGA 球半徑，TSV 轉(zhuǎn)接板焊盤半徑和PCB 層間通孔半徑對傳輸性能的影響，通過仿真表明，TSV 轉(zhuǎn)接板焊盤半徑對傳輸性能影響較小，在設(shè)計(jì)和加工時(shí)應(yīng)著重關(guān)注BGA 球半徑和PCB 層間通孔半徑對傳輸性能的影響。