微波混合集成電路三維集成設計探究

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摘要：介紹了一種可實現微波混合集成電路三維集成的設計方法。該方法在陶瓷基板上采用薄膜混合集成工藝制作多層薄膜電路結構，利用球柵陣列連接實現多個基板的三維集成互聯組裝。該設計可使混合集成電路的集成度進一步提高，并可改善安裝方式和調試難度。同時對三維集成設計方式和應用特點進行了分析和研究，為小型化混合集成電路應用提供了有效的解決方案。

關鍵詞：微波混合集成電路；三維集成；球柵陣列；電路設計

混合集成電路結合了薄膜集成技術與半導體技術的各自特點，具有電路精度高、設計靈活、便于調試、應用頻率范圍寬、性能好、可靠性高等優點［1］，在微波器件、模塊組件和微系統等領域有廣泛的應用。在頻率低端，微波混合集成電路比單片集成電路具有更多的優勢，可集成體積較大的分立元件或器件，而且便于電路調試。隨著電路集成度越來越高，微波混合集成電路中也要集成更多的元器件來擴展功能，但很多元器件隨著頻率的降低，其量值或體積顯著增大，如片式元件、磁性元件、濾波元器件等［2］，增加了電路的設計局限和調試難度，在集成度和體積方面帶來了很多限制。本文采用多層薄膜陶瓷基板，利用球柵陣列（Ballgridarray，BGA）技術和三維集成工藝，實現多個陶瓷基板的立體組裝，把體積較大或需要調試的分立元器件放在上層基板，通過錫球與下層基板的電路進行連接。這樣不僅可以解決電路集成度的限制，降低設計難度，還便于后期調試，提高微波混合集成電路產品的可測性和成品率。

1三維混合集成電路結構

微波混合集成電路設計中，要用到很多種類和不同形式的分立元器件，利用其在性能、精度、成本、周期等方面的優勢，以保證混合集成電路性能。主要的無源元件包括阻容元件、感性元件、控制元器件等；有源器件包括半導體器件、集成電路等［3］。封裝形式主要有引腳、引線、表貼、球柵陣列等［4］。其中，有些元器件的體積較大，占據了電路基板的大部分空間，在裝配工藝上也存在兼容性問題。同時，部分元件需要裝配后進行調試，以調整量值精度，但調試過程中因空間受限，調試難度較大，很容易損壞其他元器件。針對以上問題，本文提出一種基于混合集成電路工藝的三維集成設計方式。如圖1所示，模型中主要包含兩個電路基板，BGA焊球、各種元器件以及連接線。其中，電路基板為多層薄膜陶瓷基板，采用苯并環丁烯（Benzocyclobutene，BCB）介質實現多層布線；BGA焊球在兩個基板之間，起到支撐、信號互聯、屏蔽隔離、散熱等作用。射頻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、體積較大且需要調試的元器件，安裝在上層基板上，通過BGA焊球和基板通孔實現與下層電路的信號連接。

2三維集成電路的主要工藝分析

三維集成電路中主要包含BGA應用設計、多層薄膜陶瓷基板設計、電路三維集成組裝和電路調試等幾個方面。2.1BGA應用設計。球柵陣列（BGA）技術是三維集成工藝中一種先進的互聯形式，它具有互聯密度高、一致性好、間距小、射頻特性優、成本低等突出優點［5］，可在PCB基板、陶瓷基板、LTCC、HTCC以及硅基板中靈活應用。在多層薄膜陶瓷基板上，采用植球工藝對BGA進行焊接裝配，同時利用阻焊層對電路圖形進行保護。焊球可選擇塌落型和非塌落型，根據應力匹配、器件高度以及可靠性等情況來進行設計。焊球直徑可選擇0.2~0.9mm，間距一般為焊球直徑的1.6倍或以上。BGA焊球可垂直傳輸電源、控制、微波等信號，同時，焊球可連接上層和下層基板的參考地面，起到信號共地作用。在設計焊球排布時，要提高焊球的布局密度，除了放置器件和布線的位置外，其余空間盡量布滿焊球，以提高互聯可靠性。2.2多層薄膜陶瓷基板設計。陶瓷基板采用99.6%的氧化鋁陶瓷基板，基于BCB介質和薄膜電路制作工藝實現多層薄膜基板布線。陶瓷基板厚度選擇為0.508mm（20mil），基板打孔后采用填充孔工藝，利用填孔銀漿進行實心填孔［6］，通孔直徑至少0.3mm，否則影響填孔質量的均勻性。完成填孔制作后，采用平坦化工藝處理，使基板減薄至0.381mm（15mil）左右，然后采用濺射、光刻，電鍍等工藝進行第一層圖形的制作，在第一層圖形上旋涂BCB介質和采用固化工藝制作介質層。再重復光刻、濺射、電鍍等工藝制作第二層圖形［7⁃8］。薄膜多層布線結構分為3層：第1層為3μm厚金導體層，TaN電阻應用于此層；第2層為7~12μm厚BCB介質層；第3層為3μm厚金導體層，在該層制作3μm厚阻焊層，并采用聚酰亞胺樹脂（PI）作為阻焊膜介質。基板填充孔與植球焊盤采用了錯位設計方式，以提高工藝可靠性。采用BCB介質制作多層基板主要因為其具有介電常數低、損耗小、微米級線條、金屬化孔加工能力、圖形精度高等特點，非常適用于混合集成電路中高密度布線設計。但是在微波產品設計中，增加布線層數會提高工藝加工難度，使成品率降低，故在復雜微波模塊設計中，2~4層布線層數是較為合。適的設計方案，也可通過采用多功能芯片和合理布局降低設計復雜度。2.3電路三維集成組裝電路的三維組裝流程如圖2所示。先完成下層基板上的器件裝配，把芯片類和小型貼裝類器件采用膠粘方式固定在對應焊盤上，再進行鍵合連接和初步測試；對上層基板進行BGA植球，再采用倒裝焊工藝使上層基板和下層基板堆疊固定，裝配上層基板的元器件；最后把多層電路裝配到對應封裝中，鍵合連接到封裝的引腳或端口，進行調試和測試。2.4電路調試混合集成電路可以通過兩種方式對電路性能進行調試：一是基于薄膜電路工藝，在陶瓷基板上設計匹配圖形，利用鍵合方式進行選擇，從而實現電路性能的調整；二是參數選擇，利用鍵合方式，可對薄膜電阻、單層電容、平面電感等進行參數調整，可實現直流偏置、容值感值等改變。同時還可對元件進行結構調整，如空心電感、磁環電感等，可通過對漆包線松緊程度的調整，改善感值精度。利用所提出的三維集成設計方案，使一些體積較大和需要后期調整與調試的器件置于上層基板。可以分散調試點，提高可測性，降低調試時損壞其他器件的概率，提高產品的成品率。

3三維集成混合集成電路的設計

3.1工作頻率。工作頻率主要受限于信號的傳輸損耗，影響傳輸損耗的因素主要有基板傳輸損耗、垂直互聯方式及封裝形式。薄膜氧化鋁陶瓷基板，影響傳輸損耗的主要是導體損耗［9］，而介質損耗和輻射損耗與其他微波基板基本一致。受限于工藝條件等因素，薄膜陶瓷基板的導體損耗稍大，在12GHz附近，薄膜陶瓷基板的導體主損耗和導體表面損耗合計約0.04dB/mm。BGA形式的垂直互聯傳輸結構，應用頻率可從低頻一直到毫米波頻段［10⁃11］。低頻傳輸時一般采用單焊球形式，如圖3（a）所示；高頻傳輸時可采用類同軸布局形式，如圖3（b）所示。在薄膜陶瓷基板上，對圖3（b）類同軸形式的BGA垂直互聯結構進行仿真和實測，傳輸損耗的仿真和測試結果如圖4所示。在12GHz處，傳輸損耗的仿真值為0.1dB，實測值約為0.3dB。實測值比仿真值略大，主要原因是在頻率高端，陶瓷基板的導體主損耗和導體表面損耗比仿真模型略高，同時考慮測試誤差，過渡損耗的實測值比仿真值稍大。微波混合集成電路封裝主要采用金屬、陶瓷、熱固性塑料等，封裝形式主要有引線式、插針式、無引線表貼、BGA表貼等。同時綜合考慮混合集成電路產品的應用、成本等因素，采用三維集成設計的混合集成電路適合工作頻率在12GHz以內。3.2電磁屏蔽。利用BGA體積小、密度高、陣列分布的特點，可以在上下層基板之間形成屏蔽腔設計，能顯著提升混合集成電路的電磁兼容。在上下基板之間，制作兩排具有一定間距的焊球列陣，焊球與基板的地平面連接。當焊球間距足夠近時，可以起到和金屬壁相似的電磁屏蔽作用，把電磁波限制在一定空間區域內進行傳播。采用BGA設計的屏蔽腔和隔離墻如圖5所示。對圖5中設計的屏蔽腔的隔離度進行仿真和實測對比，隔離腔采用直徑0.5mm焊球，間距為0.8mm。由圖6可知，隔離度仿真值不小于40dB，實測結果約35dB，表明可以實現較好的隔離性能。在測試過程中，考慮到存在信號的空間泄露，測試隔離度值小于仿真結果。3.3機械振動可靠性設計。采用BGA技術集成的三維混合集成電路結構的抗機械振動能力是衡量可靠性的重要指標。采用完整有限元模型分析方法［12⁃13］，可以得出基板的頂角位置和四周位置，一般是焊球的最大應變點，所以在設計電路BGA分布時，應參考以下方法：（1）基板頂角位置增加焊球數量或增加局部焊球密度；（2）頂角或基板四周位置不要設計微波信號傳輸焊點；（3）選擇厚度較大的基板，可提高抗振性；（4）滿足器件安裝的前提下，焊球高度盡量小。可以選擇直徑較小的焊球，或通過焊盤尺寸控制焊球高度，提高抗振性。分布，不可靠位置位于頂角附件靠內一側，最大應變值為9.03×10-4，以此可以預計該焊球的分布結構在振動試驗過程中是安全可靠的。3.4散熱設計。陶瓷基板的高效散熱，是解決三維集成電路中可靠性和使用壽命的關鍵技術。在陶瓷基板上采用填充孔設計，填充材料為填孔銀漿，銀漿導熱率約為58.7W/mK。銀漿材料一般在LTCC等生瓷材料制作時作為填孔漿料應用。在陶瓷基板中使用銀漿，可為陶瓷基板提供高熱導率的散熱途徑，同時是一種成本較低的解決方案。對無孔基板、電鍍通孔基板和填充孔基板分別進行結溫測試，考察散熱性能。采用薄膜電阻作為熱源，用AuSn焊料焊接到不同試驗基板表面，電阻兩端加載0.38A直流電，環境溫度設置為70℃，測試結果如表1所示。圖8為70℃環境下，測試電阻焊接到采用填充孔設計的陶瓷基板上的結溫測試情況。由測試結果可知，采用填充孔基板的電阻結溫最高值為134.44℃，平均值為133.5℃，比無孔基板低10℃，比電鍍通孔基板低22.5℃，實現了較好的散熱特性。高可靠性是混合集成電路三維集成設計中的重要環節。采用BGA實現的多層薄膜陶瓷基板三維堆疊結構，在設計中，應綜合考慮工藝流程、圖形布局、BGA分布規律、焊球密度、基板厚度、封裝匹配性等因素，這些因素對提高三維混合集成電路的應用和可靠性具有重要的作用。

4結果與分析

采用陶瓷基板設計的三維集成電路，適用于多種封裝結構中。封裝工藝一般采用粘接、焊接、金絲鍵合等方式進行固定和連接。圖9（a）為采用表貼陶瓷封裝的混合集成電路實物圖，該產品為C波段混頻放大器，包含放大、混頻、數控衰減、濾波等功能，電路原理圖如圖10所示。各芯片采用膠粘方式固定在薄膜陶瓷基板上，利用BCB薄膜多層布線，實現電源、控制等信號線高密度布局以及交叉跨線，同時利用BCB薄膜工藝設計高精度電感，實現饋電或匹配等功能。經測試，電路增益達到58dB，動態控制范圍62dB，模塊體積僅為18.0mm×13.8mm×4.5mm。同時，三維集成的陶瓷基板電路還可以作為零件，直接裝配到器件、模塊、組件、系統中與其他功能電路進行組合互連［14］，如圖9（b）所示為3層陶瓷基板堆疊的混合集成電路實物。采用HTCC封裝和陶瓷基板，利用三維集成設計實現X波段低噪聲接收前端。HTCC基板集成低噪放、濾波和增益控制等芯片電路；陶瓷基板上集成混頻、中頻放大和濾波等芯片電路。在X波段，接收噪聲系數小于1.5dB，總增益大于30dB。圖11為X波段接收模塊實物圖，產品體積18mm×14mm×6mm，采用三維集成設計后體積僅為原產品的50%。通過產品設計和測試數據分析，三維集成設計方法可提升混合集成電路的集成度和微型化，同時在高頻段也可實現較好的電路性能。

5結論

從小型化、高集成的微波混合集成電路應用需求出發，基于多層薄膜陶瓷基板和BGA技術，實現混合集成電路三維集成設計。在此基礎上，對三維集成設計方案、多層薄膜陶瓷基板設計、三維組裝方式等進行介紹，同時對電路的性能指標、應用特點等進行分析和研究。該設計結構的提出，為實現小型化、高集成、高可靠混合集成電路三維集成給出了技術路徑，對提升混合集成電路的應用前景，有重要的借鑒意義。

作者:白銳 徐達 韓玉朝 單位:中國電子科技集團公司第十三研究所