基于高温共烧陶瓷基板的三维互连技术

基于高温共烧陶瓷技术的多层基板是实现组件小型化、轻量化、高可靠的有效手段。文中研究了基于HTCC 技术的多层基板三维立体互连结构，包括基板内垂直转换及基板间立体互连。通过仿真优化设计，实测结果表明，文中所设计的多种结构能够有效地应用于组件三维互连中。

随着单片微波集成电路( Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC) 和组装互连技术的快速发展，有源相控阵技术在军用和民用电子装备中得到越来越广泛的应用。先进的相控阵天线需要大量重量轻、体积小、高可靠和低成本的微波组件，推动微波电路技术向单片微波集成电路、多芯片模块( Multi Chip Model，MCM) 和三维集成电路方向发展。

三维集成电路是在二维 MMCM 的基础上，将传统二维组装和互连技术向三维发展而实现的三维立体结构的微波电路。在三维微波组件的研制中，许多新材料、新封装和新互连工艺得到了广泛应用。其中，基于高温共烧陶瓷(HTCC)［1－4］技术的多层基板技术受到越来越多的关注。氮化铝( AlN) 陶瓷作为一种典型的高温共烧陶瓷，是一种新型的高导热基板和封装材料，具有高热导率、低热膨胀系数、低介电常数和低介质损耗、高机械强度等特点。AlN 多层基板加工流程与低温共烧陶瓷(LTCC)［5－8］类似，由生瓷片经过打孔、填充、印刷、层压、切割、共烧和镀涂等工艺加工而成。

相比于LTCC技术，HTCC技术如AlN具有更高的热导率(AlN约为170 W/(m·K)，LTCC约为3 W/(m·K))和更高的机械强度，广泛应用于高功率电子领域。AlN多层陶瓷技术能够实现电性能、热性能和机械性能的优化设计，能够满足器件、模块和组件的高功率、高密度、小型化和高可靠要求。

为设计高性能的微波组件，需对多层基板的各种转换电路和互连进行研究。本文研究了基于HTCC技术的多层基板内部多种传输线结构的垂直转换电路及基板间立体互连电路。所有电路都是由三维电磁仿真软件HFSS设计优化完成，并将加工实物与仿真结果进行对比。结果表明，提出的多种转换电路在18 GHz范围内能满足微波组件的应用。

01

基板内三维互连

因HTCC-AlN基板中内层金属为钨，损耗较大，应尽量减少垂直过孔穿层层数。研究中首先分析了共面波导－带线、共面波导－共面波导 6 层垂直过渡的结构形式。两种过渡形式均由基板的一面通过过孔背穿到另一面，仿真模型、测试结果及实物如图1～图3所示。由图2的测试结果可知，在2～18 GHz的范围内，这两种垂直过渡形式插损基本＜1 dB，驻波＜1.8。

图1 共面波导-微带线、共面波导-共面波导垂直过渡电路仿真模型

图2 共面波导-微带线、共面波导-共面波导垂直过渡电路测试结果

图3 共面波导-微带线、共面波导-共面波导垂直过渡电路测试夹具

图4 共面波导-带线、微带-带线垂直过渡电路仿真模型

图5 共面波导-带线、微带-带线垂直过渡电路测试结果

图6 共面波导-带线、微带-带线垂直过渡电路测试夹具

在组件实际应用中，考虑到电磁兼容问题，经常会用到带线这种传输线形式，而在互连端口为测试方便，常采用微带或共面波导形式，这就涉及到微带或共面波导到带线的垂直过渡， 图4～图6给出了两种过渡形式的仿真模型、测试结果及测试夹具实物图。

为方便测试，带线输出端经共面波导转换输出，其中共面波导、微带为2层结构，带线为6层结构，AlN基板共8层。测试中为验证夹具的影响，对比了探针台测试和带夹具测试的结果。由图5可知，在2～18 GHz范围内，插损基本＜1.3 dB，驻波在14 GHz以内＜1.5，18 GHz以内＜2，夹具会引入0.3～0.5 dB插损，同时会恶化驻波。

仿真中，为匹配过孔穿层的影响，需对垂直过渡电路进行优化。

图7 垂直过渡关键电路模型

图7给出了垂直过渡电路的大致模型，当过孔由上层过渡到下层时，会有一段附加的垂直传输线，该段传输线可以等效为电感，其值近似为［9］

式中，Δl为垂直连接线的长度; v为自由空间的波速; γ为欧拉常数;w为微带线宽度;εr为微带线等效介电参数。这个电感与微带线原有的电感串联，导致在过渡段微带线的总电感增加到

这样如果不加补偿，该过渡段微带线的特性阻抗变为

而过渡段外微带线的特性阻抗仍然是

这样两边阻抗不同引起了反射.为此需要引入补偿电容ΔC使得过渡段的特性阻抗仍然保持在Z0，即令

因此补偿电容值应为

在结构上，在垂直通孔与传输线的连接处的圆盘状导体提供了所需的补偿电容，同时，圆盘状导体的引入会改变传输线的阻抗，需引入额外的阻抗匹配枝节进行匹配，从而减小垂直穿层的影响。仿真中主要优化圆盘及过渡枝节的尺寸，从而得到最优的过渡结构。

02

基板间三维互连

除AlN基板内部的垂直互连外，在实际组件应用中，还会遇到基板间立体互连的情况。本研究通过仿真验证球状栅列(BGA)［10］焊球实现基板间三维立体互连的形式，提升三维设计能力。

图8～图10给出了两块AlN基板(均6层) 通过BGA立体互连的仿真模型、测试夹具及测试结果。下层AlN基板内部带线通过过孔过渡到基板表面，表面焊盘通过BGA焊球直接与上层 AlN基板底面焊盘相连。为方便实物测试，带线输出端口均通过共面波导过渡输出。由图可知，该过渡模型在14 GHz范围内，插损＜1 dB， 驻波＜1. 5。频率增大时，驻波有所恶化，最大约为1.8。通过上述BGA过渡方式的研究，验证了BGA三维立体互连的可行性。

图8 AlN基板带状线－BGA－带状线过渡仿真模型

图9 AlN基板带状线－BGA－带状线过渡测试夹具

图10 AlN基板带状线－BGA－带状线过渡测试结果

03

结 束 语

介绍了基于HTCC多层基板的三维互连技术，包括基板内部垂直互连和基板间立体互连。通过对过渡结构进行理论分析，利用三维电磁仿真软件优化设计，得到各种过渡形式的最佳结构，并加工实物予以验证。 测试结果表明，在18 GHz范围内，所提出的各种过渡结构插损基本＜1 dB，驻波＜ 1.5，均能很好地应用于三维集成组件设计中。

审核编辑 ：李倩