【導讀】提(ti)出(chu)了(le)一(yi)種(zhong)在(zai)模(mo)組(zu)底(di)麵(mian)同(tong)時(shi)設(she)計(ji)彈(dan)性(xing)互(hu)連(lian)接(jie)口(kou)和(he)芯(xin)片(pian)封(feng)裝(zhuang)腔(qiang)的(de)集(ji)成(cheng)架(jia)構(gou)
，實(shi)現(xian)了(le)芯(xin)片(pian)三(san)維(wei)堆(dui)疊(die)和(he)電(dian)路(lu)麵(mian)積(ji)的(de)高(gao)效(xiao)利(li)用(yong)。重(zhong)點(dian)介(jie)紹(shao)了(le)三(san)維(wei)模(mo)組(zu)的(de)集(ji)成(cheng)架(jia)構(gou)
、彈性互連結構及裝配工藝

、寬帶射頻垂直互連的設計和研究。通過4~18 GHz三維射頻前端模組的試製，驗證了基於彈性互連三維集成架構的技術可行性，該射頻前端模組具有高密度、高可靠、裝配工序簡單靈活的特點，可廣泛應用於超寬帶小型化射頻係統。

為適應軍用電子裝備小型化、陣列化
、綜合一體化的迫切需求，寬帶射頻集成與封裝正在向高密度
、輕量化、標準化和可擴展的方向發展。

通tong常chang采cai用yong三san維wei堆dui疊die技ji術shu以yi顯xian著zhu提ti高gao係xi統tong的de集ji成cheng度du
，三san維wei堆dui疊die的de實shi質zhi是shi把ba不bu同tong芯xin片pian與yu器qi件jian在zai空kong間jian上shang進jin行xing垂chui直zhi集ji成cheng，減jian少shao芯xin片pian占zhan用yong的de麵mian積ji
，通tong過guo先xian進jin工gong藝yi來lai縮suo短duan芯xin片pian間jian信xin號hao路lu徑jing

，利li用yong通tong孔kong互hu連lian來lai減jian少shao引yin線xian長chang度du。在zai利li用yong三san維wei堆dui疊die提ti升sheng集ji成cheng密mi度du後hou
，其qi信xin號hao互hu連lian密mi度du也ye越yue來lai越yue高gao
，傳chuan統tong連lian接jie器qi的de互hu連lian方fang式shi無wu法fa適shi應ying三san維wei模mo組zu對dui外wai互hu連lian的de新xin要yao求qiu，需xu采cai用yong一yi些xie尺chi寸cun及ji間jian距ju更geng小xiao的de互hu連lian方fang法fa。

本文根據射頻係統高密度集成的需求，分別選用LTCC和毛紐扣作為集成的基板和三維模組的對外互連接口
，開展基於彈性互連的三維集成模組研究。通過研究集成架構
、kuandaishepinchuanshuxingnenghezhuangpeifangshi
，caiyongzaimozudimiantongshishezhidanxinghulianjiekouhexinpianfengzhuangdejichengfangfalaishixianmozumianjidegaoxiaoliyong，bingshejileyikuandianxingde4~18 GHz寬帶射頻前端模組進行該三維集成方法的應用驗證。該基於彈性互連的三維模組集成方法具有高密度
、高可靠、可擴展及裝配工序簡單靈活的特點，相比傳統集成方式的同類產品功能密度顯著提升。

1 集成架構

基板選擇方麵，基於TSV（矽基板穿孔）deguijiduidieshimuqiansanweijichengderedianfangxiang，danyouyuzaikuandaigaopinchuanshuheqimixingfangmiancunzaijishunandu，zaijunyongdianzizhuangbeilingyudeyingyongshangweiwanquanjiandi，erLTCC（低溫共燒陶瓷）基板具有高可靠、高頻傳輸和氣密性方麵的優勢，被大量用於高可靠電子設備的高密度集成與封裝。

互連結構選擇方麵
，BGA（球柵陣列）由於具有互連密度極高、損耗低、布局靈活、互(hu)連(lian)一(yi)致(zhi)性(xing)好(hao)的(de)優(you)勢(shi)，是(shi)三(san)維(wei)互(hu)連(lian)的(de)優(you)選(xuan)

，但(dan)由(you)於(yu)陶(tao)瓷(ci)與(yu)基(ji)於(yu)有(you)機(ji)材(cai)料(liao)的(de)射(she)頻(pin)母(mu)板(ban)存(cun)在(zai)熱(re)失(shi)配(pei)，較(jiao)大(da)尺(chi)寸(cun)模(mo)組(zu)在(zai)不(bu)通(tong)過(guo)二(er)次(ci)加(jia)固(gu)措(cuo)施(shi)下(xia)存(cun)在(zai)溫(wen)度(du)衝(chong)擊(ji)失(shi)效(xiao)的(de)風(feng)險(xian)。而(er)具(ju)有(you)彈(dan)性(xing)的(de)毛(mao)紐(niu)扣(kou)也(ye)是(shi)實(shi)現(xian)三(san)維(wei)垂(chui)直(zhi)互(hu)連(lian)的(de)一(yi)種(zhong)重(zhong)要(yao)手(shou)段(duan)，其(qi)無(wu)焊(han)接(jie)裝(zhuang)配(pei)方(fang)式(shi)易(yi)於(yu)重(zhong)複(fu)拆(chai)卸(xie)和(he)維(wei)護(hu)，在(zai)高(gao)低(di)溫(wen)和(he)振(zhen)動(dong)環(huan)境(jing)下(xia)也(ye)能(neng)夠(gou)保(bao)證(zheng)連(lian)接(jie)的(de)良(liang)好(hao)性(xing)，具(ju)有(you)較(jiao)高(gao)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)，在(zai)航(hang)空(kong)航(hang)天(tian)和(he)軍(jun)事(shi)等(deng)應(ying)用(yong)領(ling)域(yu)有(you)較(jiao)多(duo)研(yan)究(jiu)。

綜上，為了使三維集成模組達到高密度
、高可靠、裝配簡單的目標
，結合射頻模組通常對外互連接口不多的特點，本文采用了在LTCC基板雙麵布置元器件來實現芯片堆疊，同時在底麵的局部區域集中設置彈性互連接口的集成架構，該架構如圖1所示。

圖1 三維模組集成架構示意圖

該三維集成模組主要包含芯片或元器件
、LTCC基板、上圍框、上蓋板、下圍框、下蓋板、彈性互連及支撐體。其中
，芯片是實現射頻模組對應功能的基礎元件，通常采用裸芯片，這些芯片集成在LTCC基板上設計的對應腔槽內。上、下圍框均與LTCC焊接在一起形成芯片工作所需要的空氣腔結構，並通過上、下蓋板實現對所有芯片的氣密性封裝。在LTCC的背麵局部區域設計對外互連焊盤
，通過彈性互連及支撐體結構實現整個模組多信號的對外互連。

本集成架構利用LTCC基板的寬帶高頻、任意層互連及自氣密優勢、danxinghuliandegaomidujigongyijianrongxingqiangdetedian，shixianqijianjichengmiduyouxiaotisheng，duiwaihulianjiekoujiqimifengzhuangdetijizhanyonglvjiangdi
，tongshiyouyujiegoujizhuangpeigongxujiandan，kemianhanjiewusunchaizhuang
，congerjubeilianghaodekeshengchanxinghekeweihuxing。

2 彈性互連及裝配

2.1 彈性互連結構設計

毛紐扣是提供彈性互連的核心部分
，它是將金屬線（如Au/BeCu、Au/Mo、Au/W、Au/NiCr）根據形狀和高度模壓成形，如圖2所示。

圖2 毛紐扣實物圖

genjushejixuyao，maoniukoukecaiyongduozhongbujuhejiegoufangshi。duogedipindianxinhaolianjieyibancaiyongzhenliebujuxingshi，erkuandaishepinxinhaozeduocaiyongleitongzhoubujuxingshi。zaijiegoushangkeyongyuPCB/LTCC板間互連

、器件與PCB/LTCC互連、插頭/接口、夾層連接器，其堆疊結構可以采用單個毛紐扣
、毛紐扣/毛紐扣、毛紐扣/導體/毛紐扣、毛紐扣/硬帽
、毛紐扣/焊點
、硬帽/毛紐扣/硬帽、硬帽/毛紐扣/焊點多種組合形式。通常情況下為了保證連接可靠性
，一般將毛紐扣與相應的硬帽配同使用，其典型裝配形式如圖3所示。

圖3 毛紐扣/硬帽裝配形式

本ben文wen由you於yu毛mao紐niu扣kou集ji成cheng在zai三san維wei模mo組zu產chan品pin中zhong
，為wei了le保bao證zheng產chan品pin的de長chang期qi可ke靠kao性xing，即ji采cai用yong硬ying帽mao對dui外wai的de方fang式shi，在zai裝zhuang配pei過guo程cheng中zhong，先xian將jiang硬ying帽mao塞sai進jin支zhi撐cheng體ti孔kong中zhong
，再zai安an裝zhuang毛mao紐niu扣kou
，最zui後hou將jiang整zheng個ge包bao含han毛mao紐niu扣kou

、硬帽和支撐體的互連結構裝入圍框中。

2.2 裝配及封裝方式設計

利用毛紐扣實現射頻和直流信號的垂直互連
，要實現其最終性能，除了互連結構尺寸設計方麵因素外，還需考慮毛紐扣與上下基板之間
、導體之間的精確對位和可靠壓緊，以及支撐介質材料和金屬材料與基板材料間的熱匹配關係。

本文通過在圍框上設計定位銷並在對應PCB母板上開銷釘孔以保證對位精度，同時通過4顆均勻分布的螺釘實現整個三維模組至PCB母板的鎖緊。為避免毛紐扣過度壓縮導致形變，通過對支撐材料孔結構尺寸以及上下基板間距的設計使毛紐扣處於約20%壓縮狀態。整個三維集成模組底麵的裝配如圖4所示。

圖4 三維模組底麵裝配示意圖

3 寬帶射頻垂直互連

在雙麵布置器件及LTCC基(ji)板(ban)任(ren)意(yi)層(ceng)互(hu)連(lian)的(de)基(ji)礎(chu)上(shang)，芯(xin)片(pian)與(yu)基(ji)板(ban)的(de)寬(kuan)帶(dai)射(she)頻(pin)傳(chuan)輸(shu)通(tong)過(guo)基(ji)板(ban)開(kai)腔(qiang)和(he)共(gong)地(di)來(lai)保(bao)證(zheng)
，但(dan)由(you)於(yu)存(cun)在(zai)雙(shuang)麵(mian)芯(xin)片(pian)的(de)信(xin)號(hao)互(hu)連(lian)和(he)外(wai)部(bu)射(she)頻(pin)信(xin)號(hao)經(jing)過(guo)基(ji)板(ban)內(nei)部(bu)與(yu)芯(xin)片(pian)互(hu)連(lian)，射(she)頻(pin)信(xin)號(hao)的(de)過(guo)渡(du)需(xu)穿(chuan)過(guo)整(zheng)個(ge)基(ji)板(ban)到(dao)達(da)表(biao)麵(mian)進(jin)行(xing)傳(chuan)輸(shu)
，因(yin)此(ci)需(xu)對(dui)其(qi)中(zhong)的(de)寬(kuan)帶(dai)互(hu)連(lian)結(jie)構(gou)進(jin)行(xing)對(dui)應(ying)的(de)匹(pi)配(pei)設(she)計(ji)和(he)仿(fang)真(zhen)以(yi)解(jie)決(jue)傳(chuan)輸(shu)過(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)寬(kuan)帶(dai)失(shi)配(pei)問(wen)題(ti)。

此外，由於毛紐扣的互連高度相比BGA偏高，應用中會引入較強的電感效應
，需在兩側基板設計和優化匹配結構
，使其寬帶傳輸頻率滿足18 GHz應用需求
，針對LTCC帶狀線通過毛紐扣至PCB母板的垂直互連結構進行建模仿真。基於HFSS構建的三維仿真模型如圖5所示，最終的仿真結果如圖6所示。

圖5 仿真模型示意圖

圖6 仿真結果

可見單個互連結構在18 GHz內插損小於0.3 dB，駐波小於1.6，滿足本文寬帶射頻前端的應用需求。

4 射頻前端模組設計實現

4.1 寬帶射頻前端鏈路

本文設計的射頻前端模組實現4~18 GHz放大預選濾波功能
，含1位數控衰減，並配備寬帶均衡。射頻通道功能鏈路框圖如圖7所示。

圖7 射頻前端鏈路框圖

鏈路設計上通過第一級放大保證模組的噪聲
，利用數控衰減實現一定的增益調整能力，通過開關濾波器組將4~18 GHz信號分為4段進行頻率選擇
，並采用兩級濾波的方式提高帶外抑製能力



，兩級濾波之前增加放大器以提升整個通道的增益。

4.2 三維集成模組實現

為充分驗證本文提出的集成架構，經過三維集成及裝配方法、寬帶射頻互連結構建模仿真及功能鏈路設計方麵的研究，完成了基於彈性互連的三維射頻前端模組的試製
，該模組如圖8所示，外形尺寸為25 mm×18 mm×8 mm（含安裝孔）
，質量小於15 g。

圖8 三維集成模組樣件

利用矢量網絡分析儀和測試夾具對該模組進行了實物測試
，全頻段測試曲線如圖9所示。該射頻前端模組在4~18 GHz實現約25 dB的增益，同時對帶外信號實現50 dBc的抑製。相比傳統集成方式的同類產品，該模組的功能密度顯著提升，相關成果也應用於某微係統集成接收係統中，效果明顯。

圖9 三維集成模組實測曲線

5 結論

本文基於LTCC基ji板ban和he毛mao紐niu扣kou彈dan性xing互hu連lian，提ti出chu一yi種zhong在zai模mo組zu底di麵mian同tong時shi設she置zhi彈dan性xing互hu連lian接jie口kou和he芯xin片pian封feng裝zhuang腔qiang的de集ji成cheng架jia構gou
，實shi現xian三san維wei堆dui疊die和he電dian路lu麵mian積ji的de高gao效xiao利li用yong。通tong過guo4~18 GHz寬帶射頻前端模組的試製完成該集成方法及相關裝配工藝的應用驗證
，該集成架構和方法具有高密度、高可靠、可擴展及裝配工序簡單靈活的特點，在軍用電子裝備小型化應用中有較高的工程推廣價值。

作者：盧子焱，張繼帆
，董東，韓思揚，彭文超

來源：電子工藝技術

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