常青松 袁彪 白銳 魏少偉 許景通

（中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所 河北省石家莊市 050051）

LC 濾波器是現(xiàn)代雷達(dá)接收機(jī)中應(yīng)用最廣泛的一種濾波器形式。與其他濾波器相比，它具有工作頻率范圍寬、Q 值高、相對(duì)頻帶寬、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活、可調(diào)試、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)。在低頻段電路中非常適合設(shè)計(jì)寬帶或窄帶濾波器[1-2]。

由于LC 濾波器采用電感、電容等集總參數(shù)元件，再考慮工藝限制、可靠性、封裝等要求，濾波器的電路結(jié)構(gòu)體積較大。尤其在實(shí)現(xiàn)多功能的濾波器電路組件中，LC 濾波器的體積、集成度、小型化、工藝兼容性以及電路布局方等面都受到了影響和限制。

BGA 封裝技術(shù)是一種先進(jìn)的高性能封裝技術(shù)。利用焊球或焊凸點(diǎn)作為引線，成陣列分布于封裝或基板底部平面上。主要特點(diǎn)是電性能好、密度高、可靠性高、成品率高、適應(yīng)范圍廣等特點(diǎn)[4]。隨著多層基板堆疊技術(shù)及微組裝工藝技術(shù)的進(jìn)步，利用BGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)的多層基板組裝，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品小型化的重要技術(shù)途徑。

本文基于BGA技術(shù)設(shè)計(jì)了一種高集成小型化LC濾波器組裝方法。利用BGA 基板三維堆疊，將LC 濾波器實(shí)現(xiàn)三維立體組裝，同時(shí)集成放大、數(shù)控衰減等芯片電路功能。同時(shí)對(duì)三維組裝過程中的工藝技術(shù)進(jìn)行分析和研究，從而提供了一種有效的LC 濾波器三維組裝架構(gòu)方案。

1 多功能LC濾波器三維組裝設(shè)計(jì)

1.1 三維立體LC濾波器設(shè)計(jì)

產(chǎn)品里包含三個(gè)LC 濾波器，窄帶LC 濾波器中心頻率為720 MHz，工作帶寬±20 MHz，采用一個(gè)7 階帶通濾波器設(shè)計(jì)；寬帶LC 濾波器中心頻率為750 MHz，工作帶寬±200 MHz，采用一個(gè)6 階和一個(gè)5 階帶通濾波器設(shè)計(jì)。

三維立體LC 濾波器主要由兩個(gè)多層微波基板、BGA焊球和電容電感元件組成。電容元件采用貼片電容，焊接到下層基板；利用三維集成及BGA 工藝，使兩個(gè)基板實(shí)現(xiàn)立體堆疊組裝；基板采用盤中孔工藝，可實(shí)現(xiàn)通孔與焊球直接連接；電感元件最后焊接到上層基板上。上下基板通過焊球和基板內(nèi)的通孔實(shí)現(xiàn)信號(hào)垂直傳輸和信號(hào)接地。同時(shí)，BGA 焊球還可起到基板間高度控制、信號(hào)地連接、屏蔽隔離等作用[5]。采用BGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)的立體LC 濾波器電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1：立體LC 濾波器電路結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1 可以看出，電容元件全部裝配在下層基板，與電感元件分離，可使電路布局更加合理緊湊。同時(shí)，電感元件裝配在上層基板，避免與電容元件出現(xiàn)共用焊盤，提高了空間利用率，顯著縮小了濾波器的電路面積。

1.2 多功能三維LC濾波器集成設(shè)計(jì)

三維集成技術(shù)不僅可以縮小LC 濾波器的結(jié)構(gòu)尺寸，還可以集成其他功能電路和器件，進(jìn)一步提高LC 濾波器的集成度，實(shí)現(xiàn)多功能和小型化的設(shè)計(jì)架構(gòu)。

在電路設(shè)計(jì)中，微波器件以及體積較小的元器件，如芯片、貼裝元件等裝配到下層基板上，采用貼裝或鍵合等方式與電路連接；無源、體積較大且需要調(diào)試的元器件，安裝在上層基板上，通過BGA 焊球和基板通孔實(shí)現(xiàn)與下層電路的信號(hào)連接。BGA 焊球采用直徑0.5 mm 的錫球，間距設(shè)計(jì)為焊球直徑的1.6 倍或以上。電容元件采用0402 貼片電容，元件高度約0.508 mm，高于焊球高度，在設(shè)計(jì)下層基板電路時(shí)，把電容元件集中分區(qū)排布，在上層基板底層對(duì)應(yīng)電容區(qū)域位置，進(jìn)行開槽處理，給電容元件留出空間余量。

多功能LC濾波器三維集成電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2：三維集成電路結(jié)構(gòu)示意圖

由圖2 可以看出，下層基板電路主要集成芯片和LC 濾波器電容元件。上層基板電路主要集成LC 濾波器電路中的電感元件，如磁環(huán)電感和繞線電感元件。采用三維立體LC 濾波器設(shè)計(jì)方法，可顯著縮小LC 濾波器的電路尺寸。同時(shí)電容與電感元件的分離，可以使電容元件的布局更加緊湊，電感元件便于安裝和后期性能調(diào)試。

2 BGA基板堆疊工藝技術(shù)

2.1 三維組裝工藝流程

先完成下層基板上的元件器裝配，電容元件采用回流焊工藝組裝，芯片類器件采用膠粘方式固定在對(duì)應(yīng)焊盤上，再進(jìn)行鍵合連接和初步測試；對(duì)上層基板進(jìn)行BGA 植球；采用倒裝焊工藝使上層基板和下層基板堆疊固定；再焊接上層基板的元器件。最后把多層電路裝配到對(duì)應(yīng)封裝中，鍵合連接到封裝的引腳或端口，進(jìn)行調(diào)試和測試。工藝流程圖如圖3 和圖4所示。

圖3：三維組裝工藝流程圖

圖4：植球工藝流程示意圖

2.1.1 下層基板元件的焊接和貼裝

采用SAC305 錫膏焊接0402 片式元件至下層基板，點(diǎn)涂錫膏采用自動(dòng)點(diǎn)膏機(jī)點(diǎn)涂的方式，生產(chǎn)效率高，一致性好。元件貼裝采用自動(dòng)貼片機(jī)進(jìn)行貼裝，回流焊采用SMT 氮?dú)饣亓骱冈O(shè)備。

采用導(dǎo)電膠粘接芯片至下層基板，點(diǎn)涂導(dǎo)電膠采用自動(dòng)點(diǎn)膠機(jī)點(diǎn)涂的方式，生產(chǎn)效率高，一致性好。貼裝芯片采用自動(dòng)貼片機(jī)進(jìn)行貼裝，固化采用鏈?zhǔn)綘t進(jìn)行固化，固化條件為150℃，3 小時(shí)。根據(jù)不同的芯片類型采用不同規(guī)格金絲進(jìn)行芯片與芯片、芯片與基板進(jìn)行互連。

2.1.2 上層基板元件焊接和植球

采用SAC305 焊料焊接片式元件至上層基板（正面），該工藝過程可與下層電路裝配過程并行，上層電路采用SMT 工藝整板貼裝的方式，生產(chǎn)效率高，質(zhì)量一致性好。

植球工藝為采用全自動(dòng)植球機(jī)將助焊劑/焊膏采用鋼網(wǎng)印刷的方式印刷至基板的焊盤處，再將錫球預(yù)置到焊盤上，錫球通過助焊劑/焊膏的粘性，固定在基板植球焊盤上，再過回流焊爐，將錫球焊接至焊盤上，通過清洗工藝清洗掉殘留的助焊劑。如圖5所示。

圖5：基板植球后效果圖

2.1.3 上下基板倒裝焊堆疊

倒裝焊堆疊分到倒裝貼片和回流焊兩步，倒裝貼片采用轉(zhuǎn)印錫膏或助焊膏的方式，將上層基板貼裝至下層基板上，參考上下層基板的對(duì)位標(biāo)識(shí)保證位置精度，回流焊采用SMT 氮?dú)饣亓骱冈O(shè)備。如圖6所示。

圖6：倒裝焊工藝流程示意圖

2.2 關(guān)鍵工藝技術(shù)

2.2.1 BGA 焊盤定義方式

目前常用的焊盤定義方式有兩種，金屬定義焊盤（NSMD）和阻焊定義焊盤（SMD），金屬定義焊盤通過蝕刻限定而成，因此該連接盤周圍與阻焊膜有間隙，與絕大部分表面貼裝連接盤類似。SMD 焊盤是由阻焊膜部分覆蓋在金屬焊盤上。這兩種連接盤類型各有優(yōu)缺點(diǎn)SMD 焊盤的主要缺點(diǎn)是焊點(diǎn)在阻焊膜和焊料交界處的脆弱性。實(shí)際試驗(yàn)表明阻焊定義焊盤的焊點(diǎn)疲勞壽命遠(yuǎn)小于金屬定義焊盤。采用 SMD 連接盤的主要優(yōu)點(diǎn)是可預(yù)防連接盤從印制板上剝離。連接盤剝離，也被稱為焊盤坑裂，通常發(fā)生于角落焊球。因?yàn)榻锹浜盖蛴休^大的應(yīng)變率而更容易失效，因此通常不會(huì)將邊角處焊球用作關(guān)鍵功能。在角落焊球?yàn)榉顷P(guān)鍵功能的情況下，這些焊球的相應(yīng)位置可設(shè)計(jì)為SMD 連接盤。如圖7所示，A 點(diǎn)為有應(yīng)力集中的 SMD 焊點(diǎn)，B 點(diǎn)為沒有應(yīng)力集中的NSMD 點(diǎn)。

圖7：BGA 焊點(diǎn)示意圖

2.2.2 BGA 焊球的空洞率控制

為了建立起 BGA 空洞率的工藝控制，首先了解組裝過程中哪些工藝參數(shù)會(huì)影響空洞的形成。組裝后焊點(diǎn)中發(fā)現(xiàn)的空洞通常被稱為制程空洞，也被稱為大空洞。制程空洞通常由助焊劑和焊膏中的揮發(fā)成分演變而來。同時(shí)也有可能在封裝基板植球的過程中產(chǎn)生空洞。組裝后影響焊點(diǎn)空洞級(jí)別的參數(shù)包括：再流焊時(shí)間和溫度曲線、焊膏配方、焊膏量、焊盤污染、多次回流等[6-7]。

空洞發(fā)生頻率和大小的變化表明應(yīng)該有工藝控制以及工藝和材料改進(jìn)的需要。因此一定要采用空洞的控制基準(zhǔn)線確定工藝調(diào)整的需求以控制空洞發(fā)生頻率和大小。另外，需要建立空洞大小限值。確定空洞大小關(guān)系到焊球。超過焊球橫截面直徑25%的空洞大約為整個(gè)投影面積范圍的6%。當(dāng)焊球中的空洞數(shù)不止一個(gè)時(shí)，應(yīng)該將空洞的尺寸相加以計(jì)算焊球中總空洞率。

3 LC濾波器測試結(jié)果

利用本方案的集成工藝，實(shí)現(xiàn)了高集成小型化的多功能LC濾波器電路，體積為40 mm×20 mm×9 mm，產(chǎn)品如圖8所示。

圖8：三維集成LC 濾波器實(shí)物圖

由圖8 可以看出，采用三維組裝的LC 濾波器設(shè)計(jì)，可顯著縮小LC 濾波器的電路尺寸，電容與電感元件的分離，可以使電容元件的布局更加緊湊，電感元件便于安裝和調(diào)試。同時(shí)可集成多個(gè)器件，實(shí)現(xiàn)多功能電路。

經(jīng)性能測試，產(chǎn)品性能測試結(jié)果也符合指標(biāo)要求。因?yàn)椴捎昧薒C 濾波器三維組裝設(shè)計(jì)方法，電感元件在上層電路，可對(duì)電感元件進(jìn)行更換和電感值的精確調(diào)整，濾波器的抑制度會(huì)有明顯改善。同時(shí)，由于各濾波器的電容元件由BGA 焊球?qū)崿F(xiàn)空間隔離，電感元件位置也間距較大，各濾波器之間沒有形成串?dāng)_而影響濾波性能。

4 結(jié)論

基于BGA技術(shù)設(shè)計(jì)的多功能LC濾波器三維組裝設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)LC 濾波器小型化和高集成話的重要技術(shù)方式。本文分析了三維立體LC 濾波器設(shè)計(jì)方法和BGA基板在三維組裝過程中的工藝實(shí)施過程，并提出了切實(shí)可行的解決方案。經(jīng)過工藝驗(yàn)證和性能測試，利用BGA 實(shí)現(xiàn)LC 濾波器三維組裝設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品小型化和多功能的有效技術(shù)途徑。