多层陶瓷封装外壳的微波设计

摘要：随着微电子器件的发展，集成度越来越高，不断向高频、高功率应用迈进，对其封装技术的发展也提出了更高的要求。本文以一个场效应管封装外壳的微波设计为例，探讨了微波三维结构仿真技术在封装外壳设计上的应用，证明对封装外壳进行合理的微波设计，可以有效地提高器件的微波性能。

1 前言

当今世界科技的发展日新月异，在信息化进程中微电子技术一直起着先导和核心作用，随着全球信息化、网络化时代的到来，微电子技术在国民经济中的地位也显得越来越重要。微电子封装为微电子系统提供机械支撑、电气互连、散热通道、电磁屏蔽、环境保护等功能，电子系统的可靠性、成本及优良的电气性能不仅仅依赖于电路设计，在很大程度上还取决于所采用的封装设计与材料。因此微电子封装成为IC产品发展进步不可或缺的后端产品。

2 应用实例

本文试图是一个微波功率管封装外壳的设计中探讨微波仿真技术在封装外壳设计上的应用。众所周知，封装外壳制约着微波弹片电路性能的因素主要有输入输出端的阻抗、插入损耗、驻波比以及隔离度。图1是某场效应管封装外壳的外形图。由图可知该外壳有两个引出端。若该封装外壳键合芯片斌杆状到系统中，那么对于其中一个引出端的电路示意图如图2。

screen.width-500)this.style.width=screen.width-500;">

screen.width-500)this.style.width=screen.width-500;">

为使信号源和负载间有地反射传输，需要恰当设计中间的阻抗匹配网络。图中ZO 为负载（单片）的阻抗，Zg为信号源（输入功率）的阻抗。无耗阻抗匹配网络（微带线结构）节欲信号源和负载之间，于是无耗匹配网络与负载间的反射系数为：

screen.width-500)this.style.width=screen.width-500;">

信号能够接近全传输，即ZO =Zout。但是一般阻抗匹配网络都是由损耗的，因此匹配网络的插入损耗也就是微波信号在匹配网络中传输时损失的部分，通过

screen.width-500)this.style.width=screen.width-500;">

反射也就是受反射系数的影响。由此可见，为满足期间对封装外壳的要求，我们在外壳设计时必须考虑通过设计外壳微带线使其特性阻抗等于弹片的特性阻抗Zo，从而达到阻抗匹配之目的，以保证封装外壳上插入损耗最小，驻波比最低。

一般而言微波器件微火的阻后的增益和输出功率一般都利用电路匹配把阻抗专为标准的50Ω。如上所诉，在微波传输系统中，如果传输网络与信号源、负载不匹配，传输线上的驻波就会增加信号的反射，当期间工作在高频时，插入损耗将非常大。因此为保证整个电路的阻抗匹配，在设计封装外壳是应该使其引出端特性阻抗为50Ω，目前封装外壳的制造中引出端的微带线通常是以高温陶瓷共烧工艺在Al2O3 基板上实现的，因此只要知道微带线德的工作频率就可以计算出微带线的粗略尺寸。

该封装外壳的微带线设计上存在从封建装外壳外部的阴险旱区过渡到内部的金线键合区的微带-带线-微带过度结构，这样的一个过度结构必然带来微波传输的不均匀性，由于微带属于分布参数电路，其尺寸可与其工作波长相比拟，因此微带线不均匀性必然会给电路带来影响，从等效电路来看向但与串联或并联一些电抗远见，或是微波网络的参考面发生变化。在该外壳的过度结构中为使阻抗匹配，待显赫微带的宽度是不一样的，按照经验一般这种过度结构都采用"哑铃"状机构。这样就存在微带线宽度上的跳变，从场的角度来说该处的场分布将发生畸变，从而导致过剩电荷在微带线宽度国初流动，造成能量辐射损耗，增大了插入损耗和驻波比。其等效电路如图3。

screen.width-500)this.style.width=screen.width-500;">

图3中的X和1的计算公式如下。

screen.width-500)this.style.width=screen.width-500;">

为了得到满足微波传输要求的封装外壳设计，使用HFSS来见了该封装外壳的微波传输模型。通过对模型进行仿真来获得端口阻抗、插入损耗以及驻波比的数据。并在此基础上对微带线过度结构不断优化，最终获得了满足性能要求的设计。首先算出微带线尺寸数据进行建模，得到粗略的模型如图4。

screen.width-500)this.style.width=screen.width-500;">

把建立的模型赋予材质和边界条件后，设定仿真条件后就可以求解。通过求解可以得到该结构的阻抗矩阵，插入损耗以及驻波比。经过仿真可以看到该模型得端口阻抗如表1。

screen.width-500)this.style.width=screen.width-500;">

得到的端口阻抗接近于50Ω，但插入耗损以及驻波比的数值比较大，如图5，尚需要优化。

screen.width-500)this.style.width=screen.width-500;">

观察电磁场在该结构模型中的分布可以发现：在微带线的过渡出电场强度较大，且分布很不均匀。过剩的电荷在此处集中，导致能量辐射损失，造成插损和驻波比偏大，符合上述的理论分析。电场分布图如图6。

screen.width-500)this.style.width=screen.width-500;">

根据第一次仿真的结构进行分析，使用SPACEMAPPING的方法在HFSS里对该结构进行优化。

a. 第一次优化后的模型如图7，结果也不是很理想，驻波比仍然偏大。
b. 在此优化后确定模型结构、尺寸如图8。

screen.width-500)this.style.width=screen.width-500;">

再次设置材质和边界，进行仿真。得到的端口阻抗数据如表2。

screen.width-500)this.style.width=screen.width-500;">

特性阻抗情况比前几次有所改善，插入损耗以及驻波比如图9。

screen.width-500)this.style.width=screen.width-500;">

这次模型仿真结构比较理想，在X波段端口阻抗为48.3Ω，相位变化为-0.05°，基本上达到了阻抗匹配的目的；在其间工作频率下，插入损耗<1.05，可以满足期间的工作要求。在此观察电磁场在此结构中的分布（图10）。

电场过渡比较均匀，无突变区域，无明显电荷集中区域，因而整个结构的插入损耗以及驻波比都比较理想。

3 结论

随着微波器件的不断发展，对其封装外壳的电性能提出可越来越高的要求。采用微波结构模拟软件进行封装设计可以提高期间性能、缩短封装设计周期。

封装外壳的加工工艺对其微波特性影响较大，特别是基板的平整度和金属化图形的尺寸精度在高频下会极大地影响插入损耗。