基于弹性互连的三维射频前端模组的设计

提出了一种在模组底面同时设计弹性互连接口和芯片封装腔的集成架构，实现了芯片三维堆叠和电路面积的高效利用。重点介绍了三维模组的集成架构、弹性互连结构及装配工艺、宽带射频垂直互连的设计和研究。通过4~18 GHz三维射频前端模组的试制，验证了基于弹性互连三维集成架构的技术可行性，该射频前端模组具有高密度、高可靠、装配工序简单灵活的特点，可广泛应用于超宽带小型化射频系统。

为适应军用电子装备小型化、阵列化、综合一体化的迫切需求，宽带射频集成与封装正在向高密度、轻量化、标准化和可扩展的方向发展。

通常采用三维堆叠技术以显著提高系统的集成度，三维堆叠的实质是把不同芯片与器件在空间上进行垂直集成，减少芯片占用的面积，通过先进工艺来缩短芯片间信号路径，利用通孔互连来减少引线长度。在利用三维堆叠提升集成密度后，其信号互连密度也越来越高，传统连接器的互连方式无法适应三维模组对外互连的新要求，需采用一些尺寸及间距更小的互连方法。

本文根据射频系统高密度集成的需求，分别选用LTCC和毛纽扣作为集成的基板和三维模组的对外互连接口，开展基于弹性互连的三维集成模组研究。通过研究集成架构、宽带射频传输性能和装配方式，采用在模组底面同时设置弹性互连接口和芯片封装的集成方法来实现模组面积的高效利用，并设计了一款典型的4~18 GHz宽带射频前端模组进行该三维集成方法的应用验证。该基于弹性互连的三维模组集成方法具有高密度、高可靠、可扩展及装配工序简单灵活的特点，相比传统集成方式的同类产品功能密度显著提升。

1 集成架构

基板选择方面，基于TSV（硅基板穿孔）的硅基堆叠是目前三维集成的热点方向，但由于在宽带高频传输和气密性方面存在技术难度，在军用电子装备领域的应用尚未完全见底，而LTCC（低温共烧陶瓷）基板具有高可靠、高频传输和气密性方面的优势，被大量用于高可靠电子设备的高密度集成与封装。

互连结构选择方面，BGA（球栅阵列）由于具有互连密度极高、损耗低、布局灵活、互连一致性好的优势，是三维互连的优选，但由于陶瓷与基于有机材料的射频母板存在热失配，较大尺寸模组在不通过二次加固措施下存在温度冲击失效的风险。而具有弹性的毛纽扣也是实现三维垂直互连的一种重要手段，其无焊接装配方式易于重复拆卸和维护，在高低温和振动环境下也能够保证连接的良好性，具有较高的可靠性，在航空航天和军事等应用领域有较多研究。

综上，为了使三维集成模组达到高密度、高可靠、装配简单的目标，结合射频模组通常对外互连接口不多的特点，本文采用了在LTCC基板双面布置元器件来实现芯片堆叠，同时在底面的局部区域集中设置弹性互连接口的集成架构，该架构如图1所示。

图1 三维模组集成架构示意图

该三维集成模组主要包含芯片或元器件、LTCC基板、上围框、上盖板、下围框、下盖板、弹性互连及支撑体。其中，芯片是实现射频模组对应功能的基础元件，通常采用裸芯片，这些芯片集成在LTCC基板上设计的对应腔槽内。上、下围框均与LTCC焊接在一起形成芯片工作所需要的空气腔结构，并通过上、下盖板实现对所有芯片的气密性封装。在LTCC的背面局部区域设计对外互连焊盘，通过弹性互连及支撑体结构实现整个模组多信号的对外互连。

本集成架构利用LTCC基板的宽带高频、任意层互连及自气密优势、弹性互连的高密度及工艺兼容性强的特点，实现器件集成密度有效提升，对外互连接口及气密封装的体积占用率降低，同时由于结构及装配工序简单，可免焊接无损拆装，从而具备良好的可生产性和可维护性。      

2 弹性互连及装配

2.1 弹性互连结构设计

毛纽扣是提供弹性互连的核心部分，它是将金属线（如Au/BeCu、Au/Mo、Au/W、Au/NiCr）根据形状和高度模压成形，如图2所示。

 

图2 毛纽扣实物图

根据设计需要，毛纽扣可采用多种布局和结构方式。多个低频电信号连接一般采用阵列布局形式，而宽带射频信号则多采用类同轴布局形式。在结构上可用于PCB/LTCC板间互连、器件与PCB/LTCC互连、插头/接口、夹层连接器，其堆叠结构可以采用单个毛纽扣、毛纽扣/毛纽扣、毛纽扣/导体/毛纽扣、毛纽扣/硬帽、毛纽扣/焊点、硬帽/毛纽扣/硬帽、硬帽/毛纽扣/焊点多种组合形式。通常情况下为了保证连接可靠性，一般将毛纽扣与相应的硬帽配同使用，其典型装配形式如图3所示。

图3 毛纽扣/硬帽装配形式

本文由于毛纽扣集成在三维模组产品中，为了保证产品的长期可靠性，即采用硬帽对外的方式，在装配过程中，先将硬帽塞进支撑体孔中，再安装毛纽扣，最后将整个包含毛纽扣、硬帽和支撑体的互连结构装入围框中。

2.2 装配及封装方式设计

利用毛纽扣实现射频和直流信号的垂直互连，要实现其最终性能，除了互连结构尺寸设计方面因素外，还需考虑毛纽扣与上下基板之间、导体之间的精确对位和可靠压紧，以及支撑介质材料和金属材料与基板材料间的热匹配关系。

本文通过在围框上设计定位销并在对应PCB母板上开销钉孔以保证对位精度，同时通过4颗均匀分布的螺钉实现整个三维模组至PCB母板的锁紧。为避免毛纽扣过度压缩导致形变，通过对支撑材料孔结构尺寸以及上下基板间距的设计使毛纽扣处于约20%压缩状态。整个三维集成模组底面的装配如图4所示。

图4 三维模组底面装配示意图      

3 宽带射频垂直互连

在双面布置器件及LTCC基板任意层互连的基础上，芯片与基板的宽带射频传输通过基板开腔和共地来保证，但由于存在双面芯片的信号互连和外部射频信号经过基板内部与芯片互连，射频信号的过渡需穿过整个基板到达表面进行传输，因此需对其中的宽带互连结构进行对应的匹配设计和仿真以解决传输过程中的宽带失配问题。

此外，由于毛纽扣的互连高度相比BGA偏高，应用中会引入较强的电感效应，需在两侧基板设计和优化匹配结构，使其宽带传输频率满足18 GHz应用需求，针对LTCC带状线通过毛纽扣至PCB母板的垂直互连结构进行建模仿真。基于HFSS构建的三维仿真模型如图5所示，最终的仿真结果如图6所示。

图5 仿真模型示意图  

图6 仿真结果 可见单个互连结构在18 GHz内插损小于0.3 dB，驻波小于1.6，满足本文宽带射频前端的应用需求。      

4 射频前端模组设计实现

4.1 宽带射频前端链路

本文设计的射频前端模组实现4~18 GHz放大预选滤波功能，含1位数控衰减，并配备宽带均衡。射频通道功能链路框图如图7所示。

图7 射频前端链路框图

链路设计上通过第一级放大保证模组的噪声，利用数控衰减实现一定的增益调整能力，通过开关滤波器组将4~18 GHz信号分为4段进行频率选择，并采用两级滤波的方式提高带外抑制能力，两级滤波之前增加放大器以提升整个通道的增益。

4.2 三维集成模组实现

为充分验证本文提出的集成架构，经过三维集成及装配方法、宽带射频互连结构建模仿真及功能链路设计方面的研究，完成了基于弹性互连的三维射频前端模组的试制，该模组如图8所示，外形尺寸为25 mm×18 mm×8 mm（含安装孔），质量小于15 g。

图8 三维集成模组样件

利用矢量网络分析仪和测试夹具对该模组进行了实物测试，全频段测试曲线如图9所示。该射频前端模组在4~18 GHz实现约25 dB的增益，同时对带外信号实现50 dBc的抑制。相比传统集成方式的同类产品，该模组的功能密度显著提升，相关成果也应用于某微系统集成接收系统中，效果明显。

图9 三维集成模组实测曲线      

5 结论

本文基于LTCC基板和毛纽扣弹性互连，提出一种在模组底面同时设置弹性互连接口和芯片封装腔的集成架构，实现三维堆叠和电路面积的高效利用。通过4~18 GHz宽带射频前端模组的试制完成该集成方法及相关装配工艺的应用验证，该集成架构和方法具有高密度、高可靠、可扩展及装配工序简单灵活的特点，在军用电子装备小型化应用中有较高的工程推广价值。

作者：卢子焱，张继帆，董东，韩思扬，彭文超

　　审核编辑：汤梓红