導語：微波混合集成電路三維集成設(shè)計探究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：介紹了一種可實現(xiàn)微波混合集成電路三維集成的設(shè)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(jié)構(gòu)，利用球柵陣列連接實現(xiàn)多個基板的三維集成互聯(lián)組裝。該設(shè)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(diào)試難度。同時對三維集成設(shè)計方式和應(yīng)用特點進行了分析和研究，為小型化混合集成電路應(yīng)用提供了有效的解決方案。

關(guān)鍵詞：微波混合集成電路；三維集成；球柵陣列；電路設(shè)計

混合集成電路結(jié)合了薄膜集成技術(shù)與半導體技術(shù)的各自特點，具有電路精度高、設(shè)計靈活、便于調(diào)試、應(yīng)用頻率范圍寬、性能好、可靠性高等優(yōu)點［1］，在微波器件、模塊組件和微系統(tǒng)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)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(yōu)勢，可集成體積較大的分立元件或器件，而且便于電路調(diào)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(shè)計局限和調(diào)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(shù)和三維集成工藝，實現(xiàn)多個陶瓷基板的立體組裝，把體積較大或需要調(diào)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(shè)計難度，還便于后期調(diào)試，提高微波混合集成電路產(chǎn)品的可測性和成品率。

1三維混合集成電路結(jié)構(gòu)

微波混合集成電路設(shè)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(yōu)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(jù)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(diào)試，以調(diào)整量值精度，但調(diào)試過程中因空間受限，調(diào)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(shè)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(huán)丁烯（Benzocyclobutene，BCB）介質(zhì)實現(xiàn)多層布線；BGA焊球在兩個基板之間，起到支撐、信號互聯(lián)、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(diào)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(xiàn)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(yīng)用設(shè)計、多層薄膜陶瓷基板設(shè)計、電路三維集成組裝和電路調(diào)試等幾個方面。2.1BGA應(yīng)用設(shè)計。球柵陣列（BGA）技術(shù)是三維集成工藝中一種先進的互聯(lián)形式，它具有互聯(lián)密度高、一致性好、間距小、射頻特性優(yōu)、成本低等突出優(yōu)點［5］，可在PCB基板、陶瓷基板、LTCC、HTCC以及硅基板中靈活應(yīng)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(jù)應(yīng)力匹配、器件高度以及可靠性等情況來進行設(shè)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(shè)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(lián)可靠性。2.2多層薄膜陶瓷基板設(shè)計。陶瓷基板采用99.6%的氧化鋁陶瓷基板，基于BCB介質(zhì)和薄膜電路制作工藝實現(xiàn)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(zhì)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(zhì)和采用固化工藝制作介質(zhì)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(jié)構(gòu)分為3層：第1層為3μm厚金導體層，TaN電阻應(yīng)用于此層；第2層為7~12μm厚BCB介質(zhì)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(zhì)。基板填充孔與植球焊盤采用了錯位設(shè)計方式，以提高工藝可靠性。采用BCB介質(zhì)制作多層基板主要因為其具有介電常數(shù)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(shè)計。但是在微波產(chǎn)品設(shè)計中，增加布線層數(shù)會提高工藝加工難度，使成品率降低，故在復雜微波模塊設(shè)計中，2~4層布線層數(shù)是較為合。適的設(shè)計方案，也可通過采用多功能芯片和合理布局降低設(shè)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(yīng)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(yīng)封裝中，鍵合連接到封裝的引腳或端口，進行調(diào)試和測試。2.4電路調(diào)試混合集成電路可以通過兩種方式對電路性能進行調(diào)試：一是基于薄膜電路工藝，在陶瓷基板上設(shè)計匹配圖形，利用鍵合方式進行選擇，從而實現(xiàn)電路性能的調(diào)整；二是參數(shù)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(shù)調(diào)整，可實現(xiàn)直流偏置、容值感值等改變。同時還可對元件進行結(jié)構(gòu)調(diào)整，如空心電感、磁環(huán)電感等，可通過對漆包線松緊程度的調(diào)整，改善感值精度。利用所提出的三維集成設(shè)計方案，使一些體積較大和需要后期調(diào)整與調(diào)試的器件置于上層基板。可以分散調(diào)試點，提高可測性，降低調(diào)試時損壞其他器件的概率，提高產(chǎn)品的成品率。

3三維集成混合集成電路的設(shè)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(lián)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(zhì)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(lián)傳輸結(jié)構(gòu)，應(yīng)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(lián)結(jié)構(gòu)進行仿真和實測，傳輸損耗的仿真和測試結(jié)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(chǎn)品的應(yīng)用、成本等因素，采用三維集成設(shè)計的混合集成電路適合工作頻率在12GHz以內(nèi)。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(shè)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(qū)域內(nèi)進行傳播。采用BGA設(shè)計的屏蔽腔和隔離墻如圖5所示。對圖5中設(shè)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(jié)果約35dB，表明可以實現(xiàn)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(jié)果。3.3機械振動可靠性設(shè)計。采用BGA技術(shù)集成的三維混合集成電路結(jié)構(gòu)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(yīng)變點，所以在設(shè)計電路BGA分布時，應(yīng)參考以下方法：（1）基板頂角位置增加焊球數(shù)量或增加局部焊球密度；（2）頂角或基板四周位置不要設(shè)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?？梢赃x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(nèi)一側(cè)，最大應(yīng)變值為9.03×10-4，以此可以預計該焊球的分布結(jié)構(gòu)在振動試驗過程中是安全可靠的。3.4散熱設(shè)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(guān)鍵技術(shù)。在陶瓷基板上采用填充孔設(shè)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(yīng)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(jié)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(huán)境溫度設(shè)置為70℃，測試結(jié)果如表1所示。圖8為70℃環(huán)境下，測試電阻焊接到采用填充孔設(shè)計的陶瓷基板上的結(jié)溫測試情況。由測試結(jié)果可知，采用填充孔基板的電阻結(jié)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(xiàn)了較好的散熱特性。高可靠性是混合集成電路三維集成設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)。采用BGA實現(xiàn)的多層薄膜陶瓷基板三維堆疊結(jié)構(gòu)，在設(shè)計中，應(yīng)綜合考慮工藝流程、圖形布局、BGA分布規(guī)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(yīng)用和可靠性具有重要的作用。

4結(jié)果與分析

采用陶瓷基板設(shè)計的三維集成電路，適用于多種封裝結(jié)構(gòu)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(chǎn)品為C波段混頻放大器，包含放大、混頻、數(shù)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(xiàn)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(shè)計高精度電感，實現(xiàn)饋電或匹配等功能。經(jīng)測試，電路增益達到58dB，動態(tài)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(tǒng)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(shè)計實現(xiàn)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(shù)小于1.5dB，總增益大于30dB。圖11為X波段接收模塊實物圖，產(chǎn)品體積18mm×14mm×6mm，采用三維集成設(shè)計后體積僅為原產(chǎn)品的50%。通過產(chǎn)品設(shè)計和測試數(shù)據(jù)分析，三維集成設(shè)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(xiàn)較好的電路性能。

5結(jié)論

從小型化、高集成的微波混合集成電路應(yīng)用需求出發(fā)，基于多層薄膜陶瓷基板和BGA技術(shù)，實現(xiàn)混合集成電路三維集成設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，對三維集成設(shè)計方案、多層薄膜陶瓷基板設(shè)計、三維組裝方式等進行介紹，同時對電路的性能指標、應(yīng)用特點等進行分析和研究。該設(shè)計結(jié)構(gòu)的提出，為實現(xiàn)小型化、高集成、高可靠混合集成電路三維集成給出了技術(shù)路徑，對提升混合集成電路的應(yīng)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