一种Ka频段0.50 mm节距CQFN陶瓷外壳的实现

王 轲，乔志壮，李明磊，周扬帆，左汉平，王 灿

（中国电子科技集团公司第十三研究所，石家庄 050051）

微波器件的频率决定分辨能力，带宽决定信息处理容量，这些特性决定其在武器装备中的核心地位。外壳作为器件和电路的主要载体，已不仅仅提供机械支撑、物理保护和简单的电互连功能，正逐渐成为器件和电路高频信号传输实现、热耗散管理和可靠性保障的关键组成部分，是器件和电路发挥性能的重要保障。没有高性能、高可靠外壳的支撑，微波器件无法顺利实现应用。

QFN（方形扁平无引脚）封装外壳因其内部引线与焊盘之间的传输路径短、寄生参数小、电阻小和体积小等优点[1-2]，目前大多数高频GaAs放大器、混频器、移相器和开光等微波芯片的封装均采用QFN形式，并广泛应用于雷达、通信等领域。

目前国外厂家，如HITTITE、ADI等的高频器件多采用塑封QFN形式，为了实现小型化、高集成化，节距多采用0.50 mm，频率可达Ka频段甚至更高。而相同节距的CQFN陶瓷外壳只能覆盖X频段，更高频率的0.50 mm节距CQFN陶瓷外壳设计与制作鲜有报道。

本文通过改进CQFN陶瓷外壳的传输结构、优化地孔排布方式等方法，研发了一款0.50 mm节距的陶瓷外壳，其应用频率可达Ka频段。该外壳属于表面贴装的CQFN外壳，具有微波性能好、集成度高、可靠性高和使用方便的优点，这种设计方法可以广泛应用于高频封装领域。

1 外壳设计

1.1 结构设计

根据用户芯片布局、射频输入输出端口位置，确定芯片安装区的尺寸和键合指排布，然后根据用户使用方式，确定外形尺寸及互连关系，并在有限空间内进行布线设计，实现外壳内外的电互连及可靠性保护功能[3]。

本文设计的CQFN陶瓷外壳材料采用Al2O3，外形尺寸为4.0 mm×4.0 mm×0.75 mm，共有8个功能管脚，其中3个射频管脚、5个直流管脚，可实现放大器和混频器的安装。与国外塑封节距相同，均为0.50 mm，可实现PCB焊盘的原位替换。通过金锡熔封工艺实现气密，保证可靠性[4]。外壳的三维结构如图1所示。

图1 陶瓷外壳三维结构图

1.2 射频传输设计

常见射频传输线有微带线和带地共面波导线。相较微带线，带地共面波导线可有效抑制杂散模式传输，减少辐射损耗，减少干扰谐振及控制色散，因此在高频领域多采用带地共面波导线作为传输形式[3]。本产品应用频段可达Ka频段，因此计划采用此结构进行仿真设计。

1.2.1 宽带传输匹配设计

（1）垂直传输方式匹配性。微波信号垂直传输可通过陶瓷内部实心孔或侧面空心孔。侧面空心孔能方便板级焊接对位，提高焊接强度、方便焊接质量检查，为常见设计。下面在节距0.50 mm分别仿真对比信号通过侧面空心孔传输（无内部实心孔）和内部实心孔传输（有侧面空心孔）这2种传输方式微波性能的差别，为简化仿真模型，缩短仿真时间，均进行单端口仿真（图2）。

图2 不同传输方式仿真模型

从图3看出，通过侧面空心孔传输方案（无内部实心孔）微波指标明显优于实心孔传输方案（有侧面空心孔）。主要原因为通过实心孔传输方案，侧面空心孔的存在会导致其阻抗偏低，导致阻抗不一致，影响整体回波损耗。因此本产品的射频垂直传输计划采用侧面空心孔，既能实现信号传输，也能增强板级焊接强度。

图3 不同传输方式仿真S参数对比

（2）空心孔直径匹配性。通过上节研究决定采用空心孔传输，在Ka频段，空心孔直径为影响射频指标的关键因素，下面分别仿真对比直径0.15、0.20、0.25和0.30 mm空心孔直径的微波性能[5]（图4—图5）。

图4 不同空心孔直径的仿真S参数对比

图5 不同空心孔直径的仿真TDR对比

从图4—图5看出，在Ka频段直径0.15 mm和0.20 mm的空心孔微波性能差别不大，但随着空心孔直径的继续变大，在Ka频段回波损耗逐渐变差，插损逐渐变大，主要是因为空心孔变大导致空心孔处阻抗逐渐变低，整个通路阻抗一致性逐渐变差。由此看出小尺寸空心在低频段会得到较好的阻抗匹配特性，较好的回波损耗。考虑到较小的空心孔带来加工工艺难度上升，综合仿真结果，本产品计划采用直径0.20 mm的侧面空心孔来实现射频的垂直传输。

1.2.2宽带谐振抑制设计

（1）地孔间距。本产品射频传输端口计划采用共面波导结构。此结构通过在射频走线两侧排布大量地孔，将参考地互联，于是地孔密集程度（即地孔间距）对实现高频至关重要。缩小地孔间距可以抑制谐振，提高隔离度，但过度缩小地孔间距会增加工艺难度，提高工艺复杂性。因此首先研究地孔间距与频率的关系，为简化模型，仿真采用一线宽与本产品相同的共面波导线（图6）。

图6 带状线结构模型

在线宽0.24 mm，射频线与两侧地距离0.14 mm，介质厚度0.50 mm情况下，仿真不同地孔（陶瓷内部实心孔）间距对带状线射频性能的影响。

从图7和表1看出随着地孔间距的不断缩小，应用频段逐渐变宽，相应也会导致工艺难度提高。综合工艺难度和频率特性，以及仿真指标的富裕量，决定本产品选择地孔间距等于2倍孔直径的方案。

图7 不同地孔间距的共面波导线仿真结果

表1 不同地孔间距的共面波导线应用频段

（2）封口面接地方式。从上节看出，在高频下密集接地至关重要，为实现Ka频段的传输，地孔间距需要小于等于2倍孔径，陶瓷内部地孔可实现此要求，但若实心孔距离陶瓷侧边小于等于2倍孔径的话，因烧结过程中陶瓷与孔金属收缩率不一致，容易引起孔裂，于是可在侧面设计空心孔，使封口面直连背面焊盘，此结构可增强封口面的接地效果，图8为封口面采用侧面空心孔接地和采用陶瓷内部实心孔的微波对比仿真。

图8 封口面不同接地方式仿真模型

从图9对比看出，无侧面空心孔直连封口面结构，而是采用内部排布实心孔的方案在38 GHz处出现明显谐振，导致插损急剧增大。而采用侧面空心孔直连封口面结构的仿真在50 GHz以内无明显谐振，满足Ka频段的要求。

图9 封口面不同接地方式仿真S参数对比

1.2.3 整体电磁兼容设计

射频传输用外壳布线密度高，走线复杂，陶瓷层数增加导致的层间厚度减小等因素，会引起电磁兼容问题。涉及高频的微波信号传输时就必须要考虑电磁兼容问题，在所有的电磁兼容问题中，因屏蔽效果差，高频信号耦合到其他端口，从而导致能量损失是非常普遍的，值得引起足够的重视。

避免信号耦合最好的办法是增加屏蔽效果和增大相邻传输线的间距。在实际布线中可以增大铺地区域，从而减少信号耦合。

以本外壳为例，分别仿真不同铺地效果同时也导致不同功能管脚数量，对整体射频传输路径进行仿真分析（图10）。

图10 不同布局的外壳模型

从图11—图12看出，较多的功能管脚会压缩有效铺地面积，导致隔离度变差，高频信号耦合至相邻管脚，导致能量损失。

图11 不同布局的外壳仿真S参数对比

图12 不同布局的仿真电场对比

功能管脚少方案外壳双端口板级仿真结果在40 GHz以内回波损耗小于-15dB，插入损耗小于0.8 dB，双端口仿真结果可满足指标要求。

2 外壳加工

本文中外壳通过HTCC高温共烧陶瓷工艺加工而成，其中陶瓷材料为Al2O3，导体材料为金属钨。经冲孔、填孔、印刷、层压及热切形成生瓷件，经烧结形成熟瓷件，再经过镀镍、镀金形成成品。主要加工工艺流程如图13所示。

图13 主要加工流程图

3 外壳微波性能测试

在外壳芯区安装50 Ω直通微带线，并通过金丝键合方式连接外壳的输入输出键合指。选用厚度0.338 mm的印制板，将铅锡焊膏通过漏网印刷于印制板上，然后将外壳安装在电路板上，置于回流炉中，使外壳与印制板焊接在一起，实现互联。

利用矢量网络分析仪，采用微波探针台搭配探针和校准件对外壳进行双端口微波性能测试[6-7]（图14）。

图14 本产品在板测试过程

从图15看出，在10 GHz~40 GHz，外壳整个通路的S11小于等于-13 dB，S21大于等于-1.5 dB，带内无谐振点，满足用户使用要求。由此看出，该结构具有优异的微波传输特性。

图15 本产品在板测试曲线

4 外壳可靠性验证

按GJB 1420B—2011《半导体集成电路外壳通用规范》的主要内容对本外壳进行可靠性试验，试验方法和条件主要是参照GJB 548B—2005《微电子器件试验方法和程序》执行，试验结果见表2。所有试验均合格。

表2 外壳可靠性试验内容和结果

5 结束语

本文提出了一种可达Ka频段的0.50 mm节距高频CQFN陶瓷外壳。外壳射频传输端口采用共面波导结构，垂直传输选用小尺寸侧面空心孔技术，实测在DC~40 GHz频段内外壳整个板级传输路径插入损耗在1.50 dB以内，回波损耗在-13 dB以下。外壳外形尺寸4.0 mm×4.0 mm，节距与常见塑封QFN相同，均为0.50 mm，可实现塑封转陶封的原位替换。同时依据GJB1420B—2011验证了外壳的可靠性，结果均合格。

因此该外壳具有高频性能好、可靠性高、体积小及与塑封焊盘兼容的特点，适合批量化生产，可广泛应用于高频陶瓷封装领域。