40GHz垂直傳輸無引線表面貼裝外殼

喬志壯 劉林杰 王軻

摘? 要：文章提出了一種40GHz垂直傳輸無引線表面貼裝外殼，外殼射頻傳輸端口采用垂直過孔傳輸，過孔采用空心結(jié)構(gòu)，采用空心過孔傳輸結(jié)構(gòu)可提高“芯占比”。該射頻傳輸結(jié)構(gòu)包括接地共面波導(dǎo)線-空心過孔-接地共面波導(dǎo)線，通過優(yōu)化各個(gè)不連續(xù)處的結(jié)構(gòu)，使外殼應(yīng)用頻率達(dá)到40GHz，兩個(gè)端口的板級(jí)測(cè)試插損在1.5dB以內(nèi)，同時(shí)該外殼通過了環(huán)境和機(jī)械試驗(yàn)。該外殼具有優(yōu)異的高頻傳輸特性和高可靠性。

關(guān)鍵詞：表面貼裝;無引線;芯占比;陶瓷封裝

中圖分類號(hào)：TN405? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）35-0079-02

Abstract： In this paper， a kind of 40GHz vertical transmission lead-free surface mount shell is proposed. The shell RF transmission port adopts vertical through-hole transmission， the through-hole adopts hollow structure， and the hollow through-hole transmission structure can increase the "core ratio". The RF transmission structure includes grounded coplanar wave conductor-hollow through hole-grounded coplanar wave conductor. By optimizing the structure of each discontinuity， the application frequency of the shell is up to 40GHz， and the board-level test loss of the two ports is less than 1.5dB. At the same time， the shell has passed the environmental and mechanical tests. The shell has excellent high frequency transmission characteristics and high reliability.

Keywords： surface mount; no lead; core proportion; ceramic packaging

1 概述

隨著互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信的快速發(fā)展，高頻高速傳輸系統(tǒng)要求提高傳輸速率。毫米波系統(tǒng)在無線局域網(wǎng)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信、衛(wèi)星通信等無線局域網(wǎng)等新領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用。單片微波集成電路（MMIC）是這種毫米波系統(tǒng)的關(guān)鍵有源器件，其封裝也面臨著高可靠性、小型化、高“芯占比”、低成本、大規(guī)模生產(chǎn)以及高頻信號(hào)傳輸?shù)囊骩1]。

近年來已有一些學(xué)者對(duì)毫米波領(lǐng)域的垂直傳輸結(jié)構(gòu)進(jìn)行過研究，多數(shù)是基于低溫共燒陶瓷（LTCC）技術(shù)，LTCC封裝材料成本高，不利于批量生產(chǎn)[2]。為實(shí)現(xiàn)低成本和批量生產(chǎn)，滿足毫米波應(yīng)用的高頻性能要求，本文提出了一種基于高溫共燒陶瓷（HTCC）的新型表面貼裝陶瓷外殼，最高頻率可到40GHz。為實(shí)現(xiàn)更大的“芯占比”，該傳輸形式采用空心垂直傳輸結(jié)構(gòu)。

本文中外殼的輸入和輸出端口采用接地共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，垂直傳輸過孔采用空心金屬過孔結(jié)構(gòu)，以此來提高封裝外殼的“芯占比”。本文描述了將基于HTCC封裝材料的外殼傳輸頻率擴(kuò)展到40GHz的方法，同時(shí)驗(yàn)證了外殼自由態(tài)的可靠性以及二次安裝的板級(jí)可靠性。

2 高頻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

外殼應(yīng)用時(shí)，內(nèi)部芯片通過金絲鍵合方式，從芯片鍵合點(diǎn)鍵合到外殼鍵合指上，實(shí)現(xiàn)芯片與封裝外殼級(jí)的互連，然后將裝配后的外殼貼裝在印制電路板上，實(shí)現(xiàn)封裝后器件與板級(jí)的互連。圖1給出了空心過孔垂直傳輸結(jié)構(gòu)示意圖。

采用基于時(shí)域有限差分算法的三維電磁仿真軟件HFSS建立了射頻傳輸結(jié)構(gòu)的仿真模型，如圖2所示，模型中包括鍵合絲、印制板、陶瓷傳輸端子、傳輸線。信號(hào)傳輸線選用接地共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，便于探針測(cè)試。利用HFSS軟件對(duì)外殼內(nèi)部的共面波導(dǎo)線的寬度、與地之間間隙、過孔的直徑、背面與板級(jí)焊接處的共面波導(dǎo)的圖形進(jìn)行優(yōu)化。由于鍵合絲鍵合處會(huì)引入電感效應(yīng)，引起阻抗失配，因此，我們將射頻信號(hào)線的線寬加寬，補(bǔ)償鍵合絲的電感效應(yīng)。得到了性能優(yōu)異傳輸損耗最小的傳輸結(jié)構(gòu)。

將該高頻傳輸結(jié)構(gòu)運(yùn)用到外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款無引線表面貼裝外殼，外殼外形尺寸設(shè)計(jì)為7mm×7mm方形結(jié)構(gòu)，由三層氧化鋁陶瓷結(jié)構(gòu)層組成。該外殼引出端有兩個(gè)射頻端口和8個(gè)直流端口。芯片安裝區(qū)尺寸為5mm×5mm，“芯占比”達(dá)到70%以上。采用多層高溫共燒氧化鋁陶瓷和鎢金屬化系統(tǒng)制備了外殼樣品。采用鎢金屬化漿料絲網(wǎng)印刷工藝進(jìn)行圖形印制，然后在鎢金屬化表面鍍覆鎳金。

3 外殼性能測(cè)試

選用印制板厚度為0.254mm的羅杰斯RO4350B板材，裝配時(shí)將鉛錫焊膏印在印制板上，然后將外殼安裝在印制電路板上，置于氮?dú)鈿夥盏幕亓鳡t中，使外殼與印制板焊接在一起，實(shí)現(xiàn)互連。

將外殼芯片安裝區(qū)裝配微帶線，并采用金絲鍵合方式實(shí)現(xiàn)兩個(gè)射頻端口之間的互連，采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析和配套的探針臺(tái)以及探針對(duì)裝配后外殼進(jìn)行測(cè)試，探針選用500微米節(jié)距。樣品S參數(shù)測(cè)試曲線如圖3所示。從測(cè)試結(jié)果可看出，該外殼應(yīng)用頻率可覆蓋DC～40GHz，在40GHz帶寬內(nèi)，雙端口板級(jí)測(cè)試可滿足S11？燮-15dB，S21？叟-1.5dB。

可看出，該空心垂直傳輸結(jié)構(gòu)外殼具有優(yōu)異的傳輸特性。

4 可靠性驗(yàn)證

4.1 外殼自由態(tài)可靠性驗(yàn)證

隨機(jī)抽取外殼樣品，樣品采用金屬蓋板進(jìn)行金錫合金熔封，封口后分別進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)和機(jī)械試驗(yàn)驗(yàn)證，包括溫度循環(huán)、熱沖擊、機(jī)械振動(dòng)、恒定加速度試驗(yàn)。通過氣密性檢驗(yàn)和外觀檢驗(yàn)作為外殼失效的判據(jù)。氣密性判據(jù)要求小于1.0×10-9Pa·m3/s，試驗(yàn)條件和試驗(yàn)結(jié)果見表1。

4.2 二次安裝板級(jí)可靠性驗(yàn)證

器件工作時(shí)的熱循環(huán)會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，若材料之間熱膨脹系數(shù)不匹配會(huì)引起微電子電路和器件的熱疲勞失效。外殼的材料為氧化鋁陶瓷，其熱膨脹系數(shù)（CTE）值處于7～8×10-6/K之間，工業(yè)上常用的印制線路板材料的CTE值卻高達(dá)15～21×10-6/K，如此高的熱不膨脹不匹配，一方面在回流焊過程中產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，同時(shí)在隨后的溫度載荷加載過程中，溫循應(yīng)力和回流焊殘余應(yīng)力疊加，會(huì)造成產(chǎn)品失效加速，顯著的降低焊點(diǎn)的熱疲勞壽命[3]。

外殼與板級(jí)焊接采用的Sn-37Pb鉛錫焊料熔點(diǎn)為183℃，是低熔點(diǎn)金屬，其變形行為與溫度和時(shí)間（或速率）有關(guān)，為粘塑性變形，通常表現(xiàn)為蠕變和應(yīng)力松弛。在溫度循環(huán)過程中焊點(diǎn)危險(xiǎn)位置最大應(yīng)力值出現(xiàn)在低溫保溫開始階段，此時(shí)最容易出現(xiàn)焊點(diǎn)開裂失效。

錫鉛焊點(diǎn)的失效模式主要是低周疲勞失效，壽命模式主要用修正的Coffin-Manson方程（簡(jiǎn)稱C-M方程）來表征，即材料的低周疲勞壽命（Nf）和塑性應(yīng)變范圍（Δε）之間符合如下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：

式中，Nf-熱疲勞失效的平均壽命（cycle）;Δγ-等效非彈性剪切應(yīng)變范圍，Δγ =1.732Δε，Δε為等效非彈性總應(yīng)變范圍;εf-疲勞韌性系數(shù)=0.325;系數(shù)c一般為負(fù)數(shù)，需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)具體修訂。運(yùn)用ANSYS軟件建立了該外殼的板級(jí)安裝有限元模型。見圖4所示。裝配了相應(yīng)的樣品進(jìn)行板級(jí)溫循試驗(yàn)，溫循條件為-65℃～150℃，該外殼板級(jí)樣品可經(jīng)受500次以上熱疲勞。

5 結(jié)束語

這篇文章提出了一種高傳輸性能、高可靠性和高“芯占比”的垂直傳輸表面貼裝陶瓷外殼。外殼傳輸端子采用空心垂直傳輸和共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。在DC～40GHz頻帶內(nèi)外殼整個(gè)板級(jí)傳輸路徑插入損耗在1.5dB以內(nèi)。同時(shí)我們驗(yàn)證了外殼環(huán)境可靠性和機(jī)械可靠性。另外還對(duì)外殼的二次板級(jí)安裝可靠性進(jìn)行了分析驗(yàn)證。因此，該外殼具有優(yōu)異的傳輸特性和高可靠性，且成本低，適合批量化生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)：

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