基于微型焊球的高密度叠层自适应封装技术

邱 钊

（中国西南电子技术研究所，成都 610036）

1 引言

在电子产品向轻、薄、小及功能多样化方向发展的过程中，BGA（Ball Grid Array）封装已成为目前集成电路封装中先进的封装技术之一。基于微型焊球的高密度3D集成封装技术与传统封装相比，可使系统的尺寸和重量大幅度降低，在未来航空、航天、兵器等武器电子装备不断要求小型化或微系统化的进程中有着重要作用。

本文探索了高密度集成封装的工艺路径和电路设计，验证了相关封装的关键技术，为实现毫米波阵列、信道及单封装系统 (System-On-Package，SOP)的3D高密度、小型化、一体化微系统产品集成奠定基础。该研究通过采用微型焊球在多基板的层间实现信号垂直互联和支撑连接的方法，同时实现高密度叠层自适应封装，完成了一个高密度集成的小型化毫米波SIP低传输损耗模块的制作。

2 毫米波SIP低传输损耗系统封装方案设计

2.1 毫米波SIP低传输损耗系统原理

本文的研究采用基于微型焊球的高密度自适应封装技术完成了一个高密度集成的小型化毫米波SIP低传输损耗系统模块，该模块主要分成4部分，由输入/输出端口、有源放大器、垂直互联结构、无源滤波器等组成，如图1所示。

图1 毫米波SIP低传输损耗系统原理框图

2.2 毫米波SIP低传输损耗系统封装方案设计

毫米波SIP低传输损耗系统封装结构示意图见图2。整个结构分成3层，信号通过第一层的输入端口进入后，经过有源放大器将信号放大；单个放大器的增益均大于20 dB，由于采用两级放大器，两级放大器的总增益减去滤波器损耗、两个垂直互联的损耗。整个系统模块的具体技术指标见表1。

图2 毫米波SIP低传输损耗系统封装结构示意图

表1 毫米波SIP低传输损耗系统技术指标表

放大后的信号通过垂直互联进入第二层并对信号进行滤波处理；滤波器的通带、垂直互联结构和放大器均设计和选择工作于Ka频段。滤波处理过后的信号再次通过垂直互联转入到第三层并将信号继续通过有源放大器放大；最后通过输出端口将信号对外输出。对外接口采用50 Ω标准微带线的形式。

3 高密度叠层自适应封装关键技术

3.1 自适应封装技术

高密度叠层自适应封装的核心技术是自适应封装技术，其依靠基板外围凸台进行钳位，微型焊球经过回流焊炉自动塌陷后，上层盖板刚好能够自适应封盖，达到封盖封装的目的，因此在基板叠层回流焊的过程中需要精确控制微型焊球的焊接塌陷率。本文的研究根据印制板及器件来料情况，确定针对高密度叠层封装板采用BGA-3592工作站完成贴装，使用ERSA320再流焊炉进行焊接。图3是微型焊球塌陷前的叠层结构，图4是微型焊球塌陷后的叠层结构。

图3 微型焊球塌陷前叠层结构

图4 微型焊球塌陷后叠层结构

研究采用的是Φ0.50 mm Sn63Pb37焊球，与之对应的焊盘直径是0.45 mm，焊球理论塌陷率为30%。本文的研究分别采用了罗杰斯4350B、罗杰斯5880、LTCC 3种典型基板，利用微型焊球进行多层堆叠试验。为了找到实际焊接中该微型焊球塌陷高度值的最佳工艺参数，通过大量工艺试验，摸索和塌陷高度匹配的回流焊工艺参数。每次焊接完成后都经过工业CT扫描对试验样件进行检测，获取了大量与微型焊球塌陷高度相关的工艺参数。

通过改进回流焊设备的回流温度曲线，缩短中间高温区间的回流时间，延长温度上升区间和下降区间的时间。通过多次工艺试验，最终确定采用罗杰斯5880的基板以及表2所示的回流焊工艺温度参数，将微型焊球的塌陷率精准地控制在30%±2%。

表2 回流焊焊接工艺温度参数

3.2 基于微型焊球的高密度垂直互联技术

高密度垂直互联需解决射频信号在上下两层基板间的传输问题。射频信号的垂直传输技术是毫米波SIP低传输损耗系统的关键，需在低插损的情况下将射频信号传输至不同层。为了系统与外部器件的互联，将该部件的对外接口设置为标准的50 Ω微带传输线。

设计单个垂直互联部分时，首先在同一平面之间通过微带线与共面波导的过渡，将信号传输至共面波导上，同时在共面波导的一端设置信号垂直互联的焊盘；在上层厚度为0.254 mm的基板内设置Φ0.15 mm的通孔并填充铜浆形成实心铜柱，以起到信号在基板内的传输作用，层间的信号互联通过连接于上层铜柱底面和下层基板上表面上的共面波导之间的微型焊球来完成。为了实现信号的隔离和基板的支撑，在传输线和共面波导的两边设置了微型焊球来对电场进行约束。具体的垂直互联结构图和S曲线仿真图如图5和图6所示。从图6可以看出，在28～31 GHz之间的S11小于-20 dB。

图5 垂直互联结构图

图6 垂直互联仿真S参数图

3.3 基于微型焊球对有源器件的电磁能量进行约束

针对器件放置于非金属屏蔽腔体的情况，需要考虑电磁屏蔽的问题。将有源和无源器件均焊接于基板上，为了防止对外电磁辐射，通过在低噪声放大器的周围焊接了微型焊球，在减小体积和重量的同时，又能形成类似于金属围框的效果，对电磁能量进行约束。

单层基板中的电磁隔离主要通过在器件及传输线的周围适当布置微型焊球，使得器件及传输线的周围形成类似于金属约束腔的结构。具体的单层基板布局如图7所示。

图7 单层结构布局示意图

3.4 滤波器埋置技术

在叠层封装模块的第二层基板中将无源滤波器埋置在挖槽的位置，使得整个滤波器所占用的高度相对平面放置得以减少，槽底面及四周均镀上金属层用于电磁场的隔离，并在此滤波器周围置球起到层间支撑与信号隔离的作用。

SIW滤波器如图8所示。介质为DB951，介电常数为7.8，损耗角正切0.002，宽度3.652 mm，厚度为0.250 mm。金属层的厚度为0.018 mm，通孔直径为Φ0.400 mm，总长度为24.100 mm。

图8 SIW滤波器结构图

滤波器的S参数仿真曲线如图9所示。从图中可以看出，通带为28～31 GHz，通带宽度为1.3 GHz，通带内插损小于2，反射小于-16 dB，从仿真的滤波器S参数曲线来看，满足插损小于3.5 dB的要求。

图9 SIW滤波器S参数仿真图

3.5 毫米波SIP低传输损耗系统封装焊接工艺技术

毫米波SIP低传输损耗系统封装焊接工艺分两步来完成，第一步是先将有源芯片和滤波器通过金锡共晶（约310℃）焊接于各层基板中；第二步通过工装夹具将完成微型焊球置球的多层基板对准，然后进行整体回流焊焊接。回流焊时的峰值高温区只有215℃，不会对第一次焊接造成再熔化的影响。组装完成后使用工业CT进行X-Ray检测各层之间微型焊球的焊接情况，以此判断焊接质量。封装实物图如图10所示。

图10 毫米波SIP低传输损耗系统封装的实物图

4 毫米波SIP低传输损耗系统指标测试

图11是装配于测试模块内的毫米波SIP低传输损耗系统模块。经测试，模块工作于Ka频段，在28～31 GHz的带宽区间内驻波小于2，满足指标要求。测试中整个模块在30.3 GHz输入增益-26 dBm的时候，输出增益约为1.9 dBm；另外算上2根各2.53 dBm的线缆损耗，测试盒内的微带以及接头损耗约2 dBm；这样整个3D封装模块的增益约为31 dBm，满足指标大于30 dBm的增益要求。整体结构的杂散抑制大于55 dB，在平坦度小于1 dB的带宽大于200 MHz。表3所示是本文所做研究的实测指标与技术指标的对比表格，经检测，本文所做研究全部达到或优于技术指标要求。

图11 毫米波SIP低传输损耗系统测试模块

表3 封装设计与组装后性能测试指标对照表

5 结束语

本文利用微型焊球在层间实现信号的垂直互联和支撑连接，实现高密度叠层自适应封装，该模块融合了放大器、滤波器、垂直过渡等，并对性能进行了测试，所有实测指标均满足技术指标要求。验证了微型焊球运用于毫米波的可行性并取得了相关的设计及工艺参数，有效解决Ka频段信号在多层高密度叠层基板之间传输处理过程中的电气互联瓶颈问题。该结构与传统的基于平面集成的方式相比较，可以使体积和重量大幅度减小，可为我国未来的毫米波信道、敌我识别、雷达、数据链、导引头、智能弹药等领域的系统和整机装备的小型化或微系统化提供参考。

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