基于BGA 封裝的X 波段延時(shí)組件設(shè)計(jì)

2023-09-21 08:17:04徐世文

科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2023年22期

徐世文

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽合肥）

引言

BGA（Ball Grid Array）稱為球柵陣列封裝，是由日本IBM 公司與CITIZEN 公司于20 世紀(jì)90 年代初合作研制的[1]。BGA 封裝是在PGA 和QFP 的基礎(chǔ)上發(fā)展的，基于PGA 的陣列布置，將插針改換為焊球，同時(shí)基于QFP 的表面貼裝工藝，采用回流焊技術(shù)，具備成品率高、散熱性能好、射頻性能穩(wěn)定等特點(diǎn)[2]。目前BGA 封裝已廣泛應(yīng)用于高端IC 芯片封裝，是微電子高密度、小型化主流發(fā)展趨勢(shì)[3-4]。另外，通常的組件采用傳統(tǒng)磚塊式設(shè)計(jì)，已無法滿足彈載、星載、無人機(jī)載對(duì)體積、重量的苛刻要求，急需開發(fā)輕量化、高集成、芯片化組件。

本文針對(duì)相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)對(duì)于組件輕量化、高集成的需求，提出了一種基于BGA 封裝的X 波段延時(shí)組件。其剖面厚度低于3 mm，重量小于2 g，與傳統(tǒng)磚塊式組件相比，顯著降低了整機(jī)的重量和體積。本文將從系統(tǒng)組成、仿真設(shè)計(jì)、實(shí)物測(cè)試等幾個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 系統(tǒng)組成

射頻方面，延時(shí)組件考慮尺寸因素，采用兩塊延時(shí)芯片來搭1λ/2λ/4λ/8λ 的延時(shí)路徑，另外選用收發(fā)放大芯片來補(bǔ)償整個(gè)組件的收發(fā)增益要求?？刂品矫娌捎眉刹睾碗娫凑{(diào)制的控制芯片。整個(gè)延時(shí)組件的組成框圖如圖1 所示。

圖1 延時(shí)組件組成框圖

延時(shí)組件采用陶瓷BGA 的封裝方式，射頻及低頻控制端口均為BGA 焊球，陶瓷基板選擇氧化鋁高溫共燒陶瓷HTCC。電子封裝材料需要能與HTCC 基板熱膨脹系數(shù)相匹配，且滿足高熱導(dǎo)率，高抗拉強(qiáng)度，同時(shí)也要重量輕，機(jī)加和密封性能好。目前常用的封裝材料有可伐、鋁合金、鈦合金和硅鋁合金等，可伐和鈦合金優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，能與陶瓷熱膨脹匹配[5]。綜合考慮成本下選擇可伐合金做圍框和蓋板材料。

2 仿真設(shè)計(jì)

2.1 射頻傳輸線設(shè)計(jì)

由于延時(shí)組件表層芯片的射頻端焊盤與底部BGA 焊球不在同一個(gè)豎直方向，因此決定在HTCC 基板中用一段帶狀線來調(diào)整射頻傳輸?shù)穆窂?。另外BGA焊球大小也跟射頻傳輸性能息息相關(guān)，因此也將其建模在整體模型中，仿真模型如圖2 所示。紫色的部分為射頻傳輸路徑，由表層微帶、鍵合金絲、垂直過渡、帶狀線、BGA 焊球組成。表層微帶線寬基于50Ω 阻抗計(jì)算。部分仿真結(jié)果如圖3 和圖4 所示。圖3 顯示了不同帶狀線的寬度對(duì)射頻傳輸路徑的影響，從結(jié)果來看寬度為0.1 mm 時(shí)回波損耗最小，寬度為0.18 mm時(shí)回波損耗最大?？紤]組件可靠性，寬度越小的帶狀線在實(shí)際生產(chǎn)或者使用過程中斷裂的風(fēng)險(xiǎn)越大，綜合考慮判斷，設(shè)計(jì)選擇0.16 mm 寬的帶狀線。圖4 顯示了在不同半徑0.2 mm～0.3 mm 之間的焊球大小與射頻回波損耗的關(guān)系，球徑越大，回波損耗越大，但均滿足回波損耗小于-20 dB。從工藝方面考量，BGA 球直徑越小，其可靠性越差，處于組件邊緣的焊球在高低溫工作時(shí)容易受到熱應(yīng)力的作用而開裂。因此設(shè)計(jì)上BGA 焊球選擇半徑為0.3 mm。在8～12 GHz 頻段范圍內(nèi)，不同條件的約束下，整個(gè)射頻傳輸路徑回波損耗小于-20 dB，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，為下一步工程化提供了理論仿真上的支持。

圖2 仿真布局

圖3 不同帶狀線寬度與回波損耗的關(guān)系

圖4 不同焊球大小與回波損耗的關(guān)系

2.2 熱學(xué)仿真

延時(shí)組件作為有源組件，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)熱量的積累或許會(huì)引起組件本身射頻性能的改變。在設(shè)計(jì)時(shí)我們對(duì)延時(shí)組件進(jìn)行了熱學(xué)仿真。延時(shí)組件底部采用HTCC 基板，基板內(nèi)通過高密度金屬化通孔接地改善熱導(dǎo)率。圍框和蓋板采用可伐合金，內(nèi)部芯片用導(dǎo)電膠粘接到HTCC 基板。熱學(xué)仿真結(jié)果如圖5 所示。仿真結(jié)果表明，達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件時(shí)，組件內(nèi)最高溫度56.6 ℃。各芯片溫度均滿足降額溫度指標(biāo)要求。

圖5 延時(shí)組件溫度分布云圖

2.3 力學(xué)仿真

延時(shí)組件不僅要求具備良好的射頻性能，結(jié)構(gòu)上的可靠性在設(shè)計(jì)時(shí)也需要著重考慮，來滿足復(fù)雜的實(shí)際工作情況，因此對(duì)其進(jìn)行了力學(xué)分析。延時(shí)組件有限元模型如圖6 所示。進(jìn)行力學(xué)分析時(shí)，焊膏底面全約束。結(jié)構(gòu)蓋板使用4J42 可伐合金，圍框使用4J29 可伐合金，基板為HTCC。焊膏為錫鉛合金Pb37Sn63，焊球?yàn)楦咩U合金10Sn90Pb。

圖6 有限元模型

由于隨機(jī)振動(dòng)頻率范圍為20～2 000 Hz，正弦掃描試驗(yàn)頻率范圍為5～100 Hz 而結(jié)構(gòu)的基頻為7 360.1 Hz，其響應(yīng)在此頻段不發(fā)生放大，因而隨機(jī)振動(dòng)和正弦掃頻試驗(yàn)的載荷可以認(rèn)為是準(zhǔn)靜態(tài)載荷，具體計(jì)算結(jié)果見加速度響應(yīng)分析。為了分析隨機(jī)振動(dòng)和正弦掃頻響應(yīng)結(jié)果，分別對(duì)結(jié)構(gòu)的X、Y、Z 方向施加105 g 加速度過載計(jì)算，由于篇幅原因，只列出延時(shí)組件X 方向的最大變形云圖（見圖7）和最大應(yīng)力分布云圖（見圖8），其他兩個(gè)方向的結(jié)果可以見表1。

表1 加速度過載下各部件整體最大應(yīng)力值（MPa）和變形值（mm）

圖7 延時(shí)組件X 方向最大變形云圖

圖8 延時(shí)組件X 方向最大應(yīng)力分布云圖

由表1 可知，結(jié)構(gòu)的最大變形為7.92e-4mm；最大應(yīng)力為3.01 MPa。其中，單機(jī)結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為3.01 MPa，位于蓋板和圍框的焊接區(qū)域，對(duì)應(yīng)Z 向加速度過載工況；焊料部分的最大應(yīng)力為0.31 MPa，位于焊球與焊膏的連接位置，對(duì)應(yīng)X 向加速度工況。該應(yīng)力水平均遠(yuǎn)小于材料強(qiáng)度極限，表明結(jié)構(gòu)在加速度過載作用下有較大的安全余量。

為驗(yàn)證延時(shí)組件在氣密性檢測(cè)時(shí)結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度是否滿足要求，需要進(jìn)行充壓載荷分析。1 個(gè)大氣壓下組件的應(yīng)力如圖9 所示。

圖9 1 個(gè)大氣壓下延時(shí)組件的應(yīng)力分布云圖

充壓工況下，結(jié)構(gòu)的最大變形為4.06e-2mm；最大應(yīng)力為155.40 MPa，位于蓋板和圍框的焊接位置。其中，蓋板的最大應(yīng)力為155.40 MPa；圍框的最大應(yīng)力為56.22 MPa；基板的最大應(yīng)力為21.94 MPa。該應(yīng)力水平均遠(yuǎn)小于材料允許的強(qiáng)度，表明結(jié)構(gòu)在充壓工況下有較大的安全余量。

3 實(shí)物測(cè)試結(jié)果

延時(shí)組件實(shí)物測(cè)試結(jié)果如圖10～圖13 所示。從測(cè)試數(shù)據(jù)得知，延時(shí)組件實(shí)測(cè)接收增益大于7 dB，輸出功率大于12 dBm，延時(shí)相位誤差小于13°，延時(shí)寄生調(diào)幅小于0.78 dB，滿足系統(tǒng)對(duì)延時(shí)組件的指標(biāo)要求。