40GHz垂直传输无引线表面贴装外壳

乔志壮 刘林杰 王轲

摘  要：文章提出了一种40GHz垂直传输无引线表面贴装外壳，外壳射频传输端口采用垂直过孔传输，过孔采用空心结构，采用空心过孔传输结构可提高“芯占比”。该射频传输结构包括接地共面波导线-空心过孔-接地共面波导线，通过优化各个不连续处的结构，使外壳应用频率达到40GHz，两个端口的板级测试插损在1.5dB以内，同时该外壳通过了环境和机械试验。该外壳具有优异的高频传输特性和高可靠性。

关键词：表面贴装;无引线;芯占比;陶瓷封装

中图分类号：TN405         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）35-0079-02

Abstract： In this paper， a kind of 40GHz vertical transmission lead-free surface mount shell is proposed. The shell RF transmission port adopts vertical through-hole transmission， the through-hole adopts hollow structure， and the hollow through-hole transmission structure can increase the "core ratio". The RF transmission structure includes grounded coplanar wave conductor-hollow through hole-grounded coplanar wave conductor. By optimizing the structure of each discontinuity， the application frequency of the shell is up to 40GHz， and the board-level test loss of the two ports is less than 1.5dB. At the same time， the shell has passed the environmental and mechanical tests. The shell has excellent high frequency transmission characteristics and high reliability.

Keywords： surface mount; no lead; core proportion; ceramic packaging

1 概述

隨着互联网和移动通信的快速发展，高频高速传输系统要求提高传输速率。毫米波系统在无线局域网、点对点通信、卫星通信等无线局域网等新领域中发挥着重要的作用。单片微波集成电路（MMIC）是这种毫米波系统的关键有源器件，其封装也面临着高可靠性、小型化、高“芯占比”、低成本、大规模生产以及高频信号传输的要求[1]。

近年来已有一些学者对毫米波领域的垂直传输结构进行过研究，多数是基于低温共烧陶瓷（LTCC）技术，LTCC封装材料成本高，不利于批量生产[2]。为实现低成本和批量生产，满足毫米波应用的高频性能要求，本文提出了一种基于高温共烧陶瓷（HTCC）的新型表面贴装陶瓷外壳，最高频率可到40GHz。为实现更大的“芯占比”，该传输形式采用空心垂直传输结构。

本文中外壳的输入和输出端口采用接地共面波导结构，垂直传输过孔采用空心金属过孔结构，以此来提高封装外壳的“芯占比”。本文描述了将基于HTCC封装材料的外壳传输频率扩展到40GHz的方法，同时验证了外壳自由态的可靠性以及二次安装的板级可靠性。

2 高频结构设计

外壳应用时，内部芯片通过金丝键合方式，从芯片键合点键合到外壳键合指上，实现芯片与封装外壳级的互连，然后将装配后的外壳贴装在印制电路板上，实现封装后器件与板级的互连。图1给出了空心过孔垂直传输结构示意图。

采用基于时域有限差分算法的三维电磁仿真软件HFSS建立了射频传输结构的仿真模型，如图2所示，模型中包括键合丝、印制板、陶瓷传输端子、传输线。信号传输线选用接地共面波导结构，便于探针测试。利用HFSS软件对外壳内部的共面波导线的宽度、与地之间间隙、过孔的直径、背面与板级焊接处的共面波导的图形进行优化。由于键合丝键合处会引入电感效应，引起阻抗失配，因此，我们将射频信号线的线宽加宽，补偿键合丝的电感效应。得到了性能优异传输损耗最小的传输结构。

将该高频传输结构运用到外壳结构设计中，我们设计了一款无引线表面贴装外壳，外壳外形尺寸设计为7mm×7mm方形结构，由三层氧化铝陶瓷结构层组成。该外壳引出端有两个射频端口和8个直流端口。芯片安装区尺寸为5mm×5mm，“芯占比”达到70%以上。采用多层高温共烧氧化铝陶瓷和钨金属化系统制备了外壳样品。采用钨金属化浆料丝网印刷工艺进行图形印制，然后在钨金属化表面镀覆镍金。

3 外壳性能测试

选用印制板厚度为0.254mm的罗杰斯RO4350B板材，装配时将铅锡焊膏印在印制板上，然后将外壳安装在印制电路板上，置于氮气气氛的回流炉中，使外壳与印制板焊接在一起，实现互连。

将外壳芯片安装区装配微带线，并采用金丝键合方式实现两个射频端口之间的互连，采用矢量网络分析和配套的探针台以及探针对装配后外壳进行测试，探针选用500微米节距。样品S参数测试曲线如图3所示。从测试结果可看出，该外壳应用频率可覆盖DC～40GHz，在40GHz带宽内，双端口板级测试可满足S11？燮-15dB，S21？叟-1.5dB。

可看出，该空心垂直传输结构外壳具有优异的传输特性。

4 可靠性验证

4.1 外壳自由态可靠性验证

随机抽取外壳样品，样品采用金属盖板进行金锡合金熔封，封口后分别进行环境试验和机械试验验证，包括温度循环、热冲击、机械振动、恒定加速度試验。通过气密性检验和外观检验作为外壳失效的判据。气密性判据要求小于1.0×10-9Pa·m3/s，试验条件和试验结果见表1。

4.2 二次安装板级可靠性验证

器件工作时的热循环会产生较大的应力，若材料之间热膨胀系数不匹配会引起微电子电路和器件的热疲劳失效。外壳的材料为氧化铝陶瓷，其热膨胀系数（CTE）值处于7～8×10-6/K之间，工业上常用的印制线路板材料的CTE值却高达15～21×10-6/K，如此高的热不膨胀不匹配，一方面在回流焊过程中产生较大的残余应力，同时在随后的温度载荷加载过程中，温循应力和回流焊残余应力叠加，会造成产品失效加速，显著的降低焊点的热疲劳寿命[3]。

外壳与板级焊接采用的Sn-37Pb铅锡焊料熔点为183℃，是低熔点金属，其变形行为与温度和时间（或速率）有关，为粘塑性变形，通常表现为蠕变和应力松弛。在温度循环过程中焊点危险位置最大应力值出现在低温保温开始阶段，此时最容易出现焊点开裂失效。

锡铅焊点的失效模式主要是低周疲劳失效，寿命模式主要用修正的Coffin-Manson方程（简称C-M方程）来表征，即材料的低周疲劳寿命（Nf）和塑性应变范围（Δε）之间符合如下经验关系：

式中，Nf-热疲劳失效的平均寿命（cycle）;Δγ-等效非弹性剪切应变范围，Δγ =1.732Δε，Δε为等效非弹性总应变范围;εf-疲劳韧性系数=0.325;系数c一般为负数，需要根据实验具体修订。运用ANSYS软件建立了该外壳的板级安装有限元模型。见图4所示。装配了相应的样品进行板级温循试验，温循条件为-65℃～150℃，该外壳板级样品可经受500次以上热疲劳。

5 结束语

这篇文章提出了一种高传输性能、高可靠性和高“芯占比”的垂直传输表面贴装陶瓷外壳。外壳传输端子采用空心垂直传输和共面波导结构。在DC～40GHz频带内外壳整个板级传输路径插入损耗在1.5dB以内。同时我们验证了外壳环境可靠性和机械可靠性。另外还对外壳的二次板级安装可靠性进行了分析验证。因此，该外壳具有优异的传输特性和高可靠性，且成本低，适合批量化生产。

参考文献：

[1]Yoshida， K.， Shirasaki， T.， Matsuzono， S.， and Makihara， C， 50 GHz broadband SMT package for microwave applications[J]. Electronic Components and Technology Conference， 2001，744-749.

[2]廖志伟.微电子封装技术探讨[J].计算机产品与流通，2020（02）：150.

[3]蒋长顺，仝良玉，张国华.HITCE陶瓷阵列封装板级互联可靠性研究[J].电子与封装，2018，18（1）：1-4.