微波混合集成电路三维集成设计探究

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摘要：介绍了一种可实现微波混合集成电路三维集成的设计方法。该方法在陶瓷基板上采用薄膜混合集成工艺制作多层薄膜电路结构，利用球栅阵列连接实现多个基板的三维集成互联组装。该设计可使混合集成电路的集成度进一步提高，并可改善安装方式和调试难度。同时对三维集成设计方式和应用特点进行了分析和研究，为小型化混合集成电路应用提供了有效的解决方案。

关键词：微波混合集成电路；三维集成；球栅阵列；电路设计

混合集成电路结合了薄膜集成技术与半导体技术的各自特点，具有电路精度高、设计灵活、便于调试、应用频率范围宽、性能好、可靠性高等优点［1］，在微波器件、模块组件和微系统等领域有广泛的应用。在频率低端，微波混合集成电路比单片集成电路具有更多的优势，可集成体积较大的分立元件或器件，而且便于电路调试。随着电路集成度越来越高，微波混合集成电路中也要集成更多的元器件来扩展功能，但很多元器件随着频率的降低，其量值或体积显著增大，如片式元件、磁性元件、滤波元器件等［2］，增加了电路的设计局限和调试难度，在集成度和体积方面带来了很多限制。本文采用多层薄膜陶瓷基板，利用球栅阵列（Ballgridarray，BGA）技术和三维集成工艺，实现多个陶瓷基板的立体组装，把体积较大或需要调试的分立元器件放在上层基板，通过锡球与下层基板的电路进行连接。这样不仅可以解决电路集成度的限制，降低设计难度，还便于后期调试，提高微波混合集成电路产品的可测性和成品率。

1三维混合集成电路结构

微波混合集成电路设计中，要用到很多种类和不同形式的分立元器件，利用其在性能、精度、成本、周期等方面的优势，以保证混合集成电路性能。主要的无源元件包括阻容元件、感性元件、控制元器件等；有源器件包括半导体器件、集成电路等［3］。封装形式主要有引脚、引线、表贴、球栅阵列等［4］。其中，有些元器件的体积较大，占据了电路基板的大部分空间，在装配工艺上也存在兼容性问题。同时，部分元件需要装配后进行调试，以调整量值精度，但调试过程中因空间受限，调试难度较大，很容易损坏其他元器件。针对以上问题，本文提出一种基于混合集成电路工艺的三维集成设计方式。如图1所示，模型中主要包含两个电路基板，BGA焊球、各种元器件以及连接线。其中，电路基板为多层薄膜陶瓷基板，采用苯并环丁烯（Benzocyclobutene，BCB）介质实现多层布线；BGA焊球在两个基板之间，起到支撑、信号互联、屏蔽隔离、散热等作用。射频器件以及体积较小的元器件，如芯片、贴装元件等装配到下层基板上，采用贴装或键合等方式与电路连接；无源、体积较大且需要调试的元器件，安装在上层基板上，通过BGA焊球和基板通孔实现与下层电路的信号连接。

2三维集成电路的主要工艺分析

三维集成电路中主要包含BGA应用设计、多层薄膜陶瓷基板设计、电路三维集成组装和电路调试等几个方面。2.1BGA应用设计。球栅阵列（BGA）技术是三维集成工艺中一种先进的互联形式，它具有互联密度高、一致性好、间距小、射频特性优、成本低等突出优点［5］，可在PCB基板、陶瓷基板、LTCC、HTCC以及硅基板中灵活应用。在多层薄膜陶瓷基板上，采用植球工艺对BGA进行焊接装配，同时利用阻焊层对电路图形进行保护。焊球可选择塌落型和非塌落型，根据应力匹配、器件高度以及可靠性等情况来进行设计。焊球直径可选择0.2~0.9mm，间距一般为焊球直径的1.6倍或以上。BGA焊球可垂直传输电源、控制、微波等信号，同时，焊球可连接上层和下层基板的参考地面，起到信号共地作用。在设计焊球排布时，要提高焊球的布局密度，除了放置器件和布线的位置外，其余空间尽量布满焊球，以提高互联可靠性。2.2多层薄膜陶瓷基板设计。陶瓷基板采用99.6%的氧化铝陶瓷基板，基于BCB介质和薄膜电路制作工艺实现多层薄膜基板布线。陶瓷基板厚度选择为0.508mm（20mil），基板打孔后采用填充孔工艺，利用填孔银浆进行实心填孔［6］，通孔直径至少0.3mm，否则影响填孔质量的均匀性。完成填孔制作后，采用平坦化工艺处理，使基板减薄至0.381mm（15mil）左右，然后采用溅射、光刻，电镀等工艺进行第一层图形的制作，在第一层图形上旋涂BCB介质和采用固化工艺制作介质层。再重复光刻、溅射、电镀等工艺制作第二层图形［7⁃8］。薄膜多层布线结构分为3层：第1层为3μm厚金导体层，TaN电阻应用于此层；第2层为7~12μm厚BCB介质层；第3层为3μm厚金导体层，在该层制作3μm厚阻焊层，并采用聚酰亚胺树脂（PI）作为阻焊膜介质。基板填充孔与植球焊盘采用了错位设计方式，以提高工艺可靠性。采用BCB介质制作多层基板主要因为其具有介电常数低、损耗小、微米级线条、金属化孔加工能力、图形精度高等特点，非常适用于混合集成电路中高密度布线设计。但是在微波产品设计中，增加布线层数会提高工艺加工难度，使成品率降低，故在复杂微波模块设计中，2~4层布线层数是较为合。适的设计方案，也可通过采用多功能芯片和合理布局降低设计复杂度。2.3电路三维集成组装电路的三维组装流程如图2所示。先完成下层基板上的器件装配，把芯片类和小型贴装类器件采用胶粘方式固定在对应焊盘上，再进行键合连接和初步测试；对上层基板进行BGA植球，再采用倒装焊工艺使上层基板和下层基板堆叠固定，装配上层基板的元器件；最后把多层电路装配到对应封装中，键合连接到封装的引脚或端口，进行调试和测试。2.4电路调试混合集成电路可以通过两种方式对电路性能进行调试：一是基于薄膜电路工艺，在陶瓷基板上设计匹配图形，利用键合方式进行选择，从而实现电路性能的调整；二是参数选择，利用键合方式，可对薄膜电阻、单层电容、平面电感等进行参数调整，可实现直流偏置、容值感值等改变。同时还可对元件进行结构调整，如空心电感、磁环电感等，可通过对漆包线松紧程度的调整，改善感值精度。利用所提出的三维集成设计方案，使一些体积较大和需要后期调整与调试的器件置于上层基板。可以分散调试点，提高可测性，降低调试时损坏其他器件的概率，提高产品的成品率。

3三维集成混合集成电路的设计

3.1工作频率。工作频率主要受限于信号的传输损耗，影响传输损耗的因素主要有基板传输损耗、垂直互联方式及封装形式。薄膜氧化铝陶瓷基板，影响传输损耗的主要是导体损耗［9］，而介质损耗和辐射损耗与其他微波基板基本一致。受限于工艺条件等因素，薄膜陶瓷基板的导体损耗稍大，在12GHz附近，薄膜陶瓷基板的导体主损耗和导体表面损耗合计约0.04dB/mm。BGA形式的垂直互联传输结构，应用频率可从低频一直到毫米波频段［10⁃11］。低频传输时一般采用单焊球形式，如图3（a）所示；高频传输时可采用类同轴布局形式，如图3（b）所示。在薄膜陶瓷基板上，对图3（b）类同轴形式的BGA垂直互联结构进行仿真和实测，传输损耗的仿真和测试结果如图4所示。在12GHz处，传输损耗的仿真值为0.1dB，实测值约为0.3dB。实测值比仿真值略大，主要原因是在频率高端，陶瓷基板的导体主损耗和导体表面损耗比仿真模型略高，同时考虑测试误差，过渡损耗的实测值比仿真值稍大。微波混合集成电路封装主要采用金属、陶瓷、热固性塑料等，封装形式主要有引线式、插针式、无引线表贴、BGA表贴等。同时综合考虑混合集成电路产品的应用、成本等因素，采用三维集成设计的混合集成电路适合工作频率在12GHz以内。3.2电磁屏蔽。利用BGA体积小、密度高、阵列分布的特点，可以在上下层基板之间形成屏蔽腔设计，能显著提升混合集成电路的电磁兼容。在上下基板之间，制作两排具有一定间距的焊球列阵，焊球与基板的地平面连接。当焊球间距足够近时，可以起到和金属壁相似的电磁屏蔽作用，把电磁波限制在一定空间区域内进行传播。采用BGA设计的屏蔽腔和隔离墙如图5所示。对图5中设计的屏蔽腔的隔离度进行仿真和实测对比，隔离腔采用直径0.5mm焊球，间距为0.8mm。由图6可知，隔离度仿真值不小于40dB，实测结果约35dB，表明可以实现较好的隔离性能。在测试过程中，考虑到存在信号的空间泄露，测试隔离度值小于仿真结果。3.3机械振动可靠性设计。采用BGA技术集成的三维混合集成电路结构的抗机械振动能力是衡量可靠性的重要指标。采用完整有限元模型分析方法［12⁃13］，可以得出基板的顶角位置和四周位置，一般是焊球的最大应变点，所以在设计电路BGA分布时，应参考以下方法：（1）基板顶角位置增加焊球数量或增加局部焊球密度；（2）顶角或基板四周位置不要设计微波信号传输焊点；（3）选择厚度较大的基板，可提高抗振性；（4）满足器件安装的前提下，焊球高度尽量小。可以选择直径较小的焊球，或通过焊盘尺寸控制焊球高度，提高抗振性。分布，不可靠位置位于顶角附件靠内一侧，最大应变值为9.03×10-4，以此可以预计该焊球的分布结构在振动试验过程中是安全可靠的。3.4散热设计。陶瓷基板的高效散热，是解决三维集成电路中可靠性和使用寿命的关键技术。在陶瓷基板上采用填充孔设计，填充材料为填孔银浆，银浆导热率约为58.7W/mK。银浆材料一般在LTCC等生瓷材料制作时作为填孔浆料应用。在陶瓷基板中使用银浆，可为陶瓷基板提供高热导率的散热途径，同时是一种成本较低的解决方案。对无孔基板、电镀通孔基板和填充孔基板分别进行结温测试，考察散热性能。采用薄膜电阻作为热源，用AuSn焊料焊接到不同试验基板表面，电阻两端加载0.38A直流电，环境温度设置为70℃，测试结果如表1所示。图8为70℃环境下，测试电阻焊接到采用填充孔设计的陶瓷基板上的结温测试情况。由测试结果可知，采用填充孔基板的电阻结温最高值为134.44℃，平均值为133.5℃，比无孔基板低10℃，比电镀通孔基板低22.5℃，实现了较好的散热特性。高可靠性是混合集成电路三维集成设计中的重要环节。采用BGA实现的多层薄膜陶瓷基板三维堆叠结构，在设计中，应综合考虑工艺流程、图形布局、BGA分布规律、焊球密度、基板厚度、封装匹配性等因素，这些因素对提高三维混合集成电路的应用和可靠性具有重要的作用。

4结果与分析

采用陶瓷基板设计的三维集成电路，适用于多种封装结构中。封装工艺一般采用粘接、焊接、金丝键合等方式进行固定和连接。图9（a）为采用表贴陶瓷封装的混合集成电路实物图，该产品为C波段混频放大器，包含放大、混频、数控衰减、滤波等功能，电路原理图如图10所示。各芯片采用胶粘方式固定在薄膜陶瓷基板上，利用BCB薄膜多层布线，实现电源、控制等信号线高密度布局以及交叉跨线，同时利用BCB薄膜工艺设计高精度电感，实现馈电或匹配等功能。经测试，电路增益达到58dB，动态控制范围62dB，模块体积仅为18.0mm×13.8mm×4.5mm。同时，三维集成的陶瓷基板电路还可以作为零件，直接装配到器件、模块、组件、系统中与其他功能电路进行组合互连［14］，如图9（b）所示为3层陶瓷基板堆叠的混合集成电路实物。采用HTCC封装和陶瓷基板，利用三维集成设计实现X波段低噪声接收前端。HTCC基板集成低噪放、滤波和增益控制等芯片电路；陶瓷基板上集成混频、中频放大和滤波等芯片电路。在X波段，接收噪声系数小于1.5dB，总增益大于30dB。图11为X波段接收模块实物图，产品体积18mm×14mm×6mm，采用三维集成设计后体积仅为原产品的50%。通过产品设计和测试数据分析，三维集成设计方法可提升混合集成电路的集成度和微型化，同时在高频段也可实现较好的电路性能。

5结论

从小型化、高集成的微波混合集成电路应用需求出发，基于多层薄膜陶瓷基板和BGA技术，实现混合集成电路三维集成设计。在此基础上，对三维集成设计方案、多层薄膜陶瓷基板设计、三维组装方式等进行介绍，同时对电路的性能指标、应用特点等进行分析和研究。该设计结构的提出，为实现小型化、高集成、高可靠混合集成电路三维集成给出了技术路径，对提升混合集成电路的应用前景，有重要的借鉴意义。

作者:白锐 徐达 韩玉朝 单位:中国电子科技集团公司第十三研究所