0 引言

    電子裝備正在向小型化、輕量化和多功能方向發(fā)展，尤其機載、艦載、星載等電子裝備以及電子對抗中的通信、雷達和光電子設備，均需要大量的高性能、高可靠的微電子模塊，作為其核心模塊的微波毫米波多芯片模塊(MMCM)三維互聯與封裝技術已經成為微波毫米波集成技術的研究熱點^[1-3]。多層板如共燒陶瓷基板、硅基、金屬基和多層電路印制板等，在微波產品中已經得到了廣泛應用。但從成本、周期、工程研制等方面考慮，多層印制板更具有明顯的優(yōu)勢。利用多層板實現系統級封裝中各信號層、電源層、接地層之間的相互聯接，以實現MMCM微型化、高性能和低成本等技術要求，滿足MMCM越來越精密的裝配精度、越來越微小的空間尺寸和越來越高的可靠性要求^[4-6]。目前的多層板技術主要應用于數字電路或低頻電路的高密度集成封裝中，射頻方面的應用相對較少且主要工作于Ku及以下頻段。

    為了實現多層板應用時微波毫米波頻段過渡信號的低損耗傳輸，本文設計了一種低損耗過渡結構，并對樣件進行了測試。該過渡結構在Ka頻段具有良好的射頻傳輸特性，為多芯片組件的小型化問題^[7]。

1 多層板過渡模型及仿真

    本文設計的多層板過渡模型如圖1所示，整版厚度為1.0 mm。多層板部分頂層為Alon CLTE/XT微波板，下層板材為FR-4，參考工程易實現的裝配尺寸，將雙面板與多層板間隙f設置為0.2 mm，在與雙面板連接端通過金屬化孔過渡，實現微波信號傳輸，金屬化孔的直徑的間距均為0.25 mm，金屬化孔離微帶的距離為d。金屬化過孔的作用是在端口處實現微波共地。

    為了說明金屬化過孔的作用，利用三維仿真軟件HFSS，首先對沒有金屬化孔的模型進行仿真，圖2為無金屬化孔模型，圖3為該模型的仿真參數結果。同時給出直通微帶的仿真參數作為對比，如圖4所示。

    從圖3和圖4的對比可以看出，在沒有金屬化孔的情況下，微波信號處于失配狀態(tài)，諧振較大，不能在組件中用于微波信號傳輸。

    圖5給出了金屬化孔距離微帶尺寸不同時，信號的傳輸特性。從圖中可以看出，金屬化孔離微帶的距離越近，信號傳輸特性越好，尤其對于頻率較高的頻點。當間距由0.6 mm變?yōu)?.2 mm時，在20 GHz處的插損由0.48 dB變?yōu)?.72 dB，駐波比由1.4變?yōu)?.75，變化幅度較為明顯，且無諧振現象。

    將d為0.6 mm時的傳輸特性與直通微帶相比，駐波比大了0.3，插損僅大0.1 dB。其參數變化處于可接受范圍，滿足工程應用要求。

2 Ka波段多層板過渡模型優(yōu)化及仿真

    Ka波段芯片已日趨成熟及多樣化，其性能基本能滿足系統需求，而傳統的多芯片組件大多采用正面隔腔走微波信號，背面走低頻信號的布局，低頻信號通過穿線或焊接低頻絕緣子的形式給芯片饋電。這種布局的優(yōu)點是電性能容易調試且高頻信號與低頻信號之間的相互串擾較小。但其缺點也很明顯，就是組件需采用雙面結構，組件厚度很難縮小，且組件蓋板需雙面氣密，工程難度較大；再者就是穿線工藝帶來裝配難度增加，組件內部裸芯片容易被污染損壞，尤其是在多芯片組件中，饋電點較多的情況下，這種現象更為明顯。于是，研究多層板技術在Ka波段的應用顯得尤為迫切。

    圖6為圖1模型在30 GHz～40 GHz頻段范圍內的仿真結果，從仿真結果可以看出雖然沒有諧振現象，但傳輸特性較差，損耗大駐波比差，不能滿足工程應用。

    傳統電路中，當頻率較低時，過孔的各參數的確定多是基于經驗值。但當頻率上升至微波頻段時，過孔結構引起的阻抗不連續(xù)性會導致能量的反射并影響電路性能，過孔結構可以用一個簡單的集總LC-π型電路等效，如圖7所示。基于準靜態(tài)分析，其電容電感值可以用如下公式來表示^[8]：

其中，ε_r、T、D_p、D_ap、h和d分別為基板相對介電常數、基板厚度、過孔焊盤直徑、過孔隔離焊盤直徑、過孔高度以及過孔直徑。

    為了減小式(1)中的電感效應，需要減小過孔的高度。同樣地，為了減小式(2)中的電容效應，過孔焊盤直徑、相對介電常數以及多層板厚度應該盡量小并增大隔離焊盤直徑。金屬化孔的寄生參數受過孔高度影響較大，高度越大，電感越大，從而會導致高頻信號傳輸特性變差。

    通過仿真優(yōu)化，發(fā)現金屬化過孔的高度對多層板的傳輸特性有較大影響，將原高度0.75 mm降為0.4 mm，則整個多層板厚度為0.65 mm，再次進行仿真，仿真結果如圖8所示。同時將其與直通微帶（如圖9所示）、金屬化過孔高度為1.0 mm的參數（如圖6所示）進行對比。可以看出，過孔高度降低后帶內插損最大為0.65 dB，駐波比最大為1.55；與直通微帶的最大插損0.35 dB、最大駐波比1.15相比還是有一定的差距，但已能滿足常規(guī)組件的性能需求，較優(yōu)化前的最大插損4.5 dB、最大駐波比5.7相比已經有明顯的改善。

3 結論

    復合多層板技術是研制小型化、高集成和高可靠微波毫米波多芯片組件的關鍵技術。本文設計了一種基于復合多層板工藝的板間微波互聯結構，并利用電磁場仿真軟件分析了不同互聯模型的微波傳輸性能。優(yōu)化后的多層互聯結構在10 GHz～20 GHz范圍內只比直通微帶的插損大0.1 dB，駐波比大0.3；在30 GHz～40 GHz范圍內只比直通微帶的插損大0.3 dB，駐波比大0.4，具備良好的微波特性。該互聯結構具有工藝簡單、集成度高、成本低廉等優(yōu)勢，可以解決多芯片組件中的高密度電氣互聯的問題。

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作者信息:

王  磊

(中國航天科工集團8511研究所，江蘇 南京210007)