微波裸芯片临时封装夹具微波信号传输的优化

徐丽， 黄云， 周斌

（1.华南理工大学，广东 广州，510640；2.工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州，510610）

0 引言

由于GaAs MMIC在通信系统及军用电子系统中的应用，市场对高可靠性微波裸芯片的需求日益迫切。在已知良好芯片（KGD：Know Good Die）技术研究及应用的推动下，对裸芯片可靠性的研究朝着高频、高速信号芯片的方向发展。本文针对MMIC的测试与老炼，研制了一套临时封装测试夹具，用于对特定的微波功率放大器进行KGD实验。

要实现分立微波裸芯片的KGD保证技术，关键是临时封装夹具系统的设计。封装夹具主要对芯片起到机械保护和电气连接的作用。作为微波传输系统的重要组成部分，微波传输线是夹具系统设计中需要重点考虑的环节。本设计针对微波信号传输线，主要考虑了两个问题，首先是根据微波频率来选择合适的传输线，再是保证传输系统的匹配，减小信号传输的不连续，使夹具在测试和老炼时具有良好的信号完整性。选择合适的传输线，相当于选择了合适的传输管道类型，信号才能得到顺畅的流通；合理地考虑传输匹配则是将各管道连接起来，并对连接处进行恰当的处理。

1 传输线的设计与优化

微波传输不同于普通电信号的传输，普通信号的传输线只需要考虑电阻和功率消耗，而对于微波传输，由于频率的上升，传输线的寄生参数如电容电感特性变得很重要，因而引入了分布参数理论。传输线的形式有很多种，其中平面导波系统是为适应微波集成电路而出现的。平面传输线最重要的传输线参量是特性阻抗和有效介电常数。

实验所用的微波功率放大芯片的输入输出电路都匹配到了标准的50Ω，应用时只需严格控制线路阻抗，即使用50Ω的微波传输线，就能达到信号完整性要求。计算传输线特性阻抗的方法主要有3种：理论公式计算法、曲线图解估算法和软件模拟法。除了以上3种设计思路，传输线设计时还应充分考虑线宽对阻抗的配合性和实际的加工精度，因此在传输线的实际制作中，需要参考PCB加工商所提供的设计方案。

微带线是应用最普遍的传输线，它具有价廉、体积小、容易与有源器件集成，生产中重复性好，与单片微波集成电路兼容性好等优点。相比微带线，共面波导（CPW：Co-Planer Waveguide）的导体条带和接地板在同一个平面，具有更低的损耗[1]。而且微波在片测试探针上常使用共面波导形式的微波传输线，本设计中为了得到更好的信号传输特性，使用了与之相近的导带两边有地线的微带线结构。

背面接地的共面波导传输线截面图如图1（a）所示，综合考虑传输线的理论计算、软件计算和加工制作工艺，最终确定本设计使用的微带线结构如图1（b）所示，中间的线路为信号线，两边线路为地线，圆柱形为地线与基板背面覆铜层的通孔。仿真参数为 H=50μm， T=18μm， εr=3.4， W=100μm， G=150μm。

使用三维电磁仿真软件（HFSS），仿真验证其传输特性，得到图2。图2（a）为S参数仿真结果，红色曲线为S21，蓝色曲线为S11。由图可知，在2～6GHz内，回波损耗S11在-15dB以下，插入损耗S21在-1dB以上，图2（b）为传输线的特性阻抗仿真结果，由于将传输线看作是双端口网络，图中两条曲线分别为传输线的两个端口的特性阻抗，由图可知传输线特性阻抗基本在49～51Ω之间，保证了这段传输线端接50Ω的负载时反射系数的绝对值在1%之内。以上分析说明，本文设计的传输线符合良好微带线的传输性能要求。

2 不连续处信号完整性问题及其优化

信号传输的连续性即传输阻抗的连续性。阻抗恒定通常意味着一致的几何特性，同平面上的传输线能够较好地控制特性阻抗，互连转接的位置是阻抗变化突出的地方且难以控制。信号传输的不连续性主要分为：传输线内部、不同传输线转换及设备互连。信号在传输中的不连续将带来信号完整性问题。本测试夹具设计了两个互连基板，一个是倒扣于芯片上方、将芯片pad上的信号引出的芯片电信号连接衬底，另一个是将倒置衬底的信号转接并引出到外围测试电路的外围来连接衬底。下文将针对夹具中的3种不连续性分别进行优化设计。

2.1 微波传输线内部不连续问题的优化设计

图3（a）为微波夹具两个互连衬底信号线连接处的设计示意图，外围衬底的信号线在两衬底的互连处设计了一个焊盘以加强接触的可靠性。然而焊盘的设计和互连金丝球凸点的引入，给信号传输加入了不连续因素。焊盘比信号传输线更宽，线宽的突变等效于串联电抗，金丝球凸点等效串联电感，而两个互连衬底的重合处等效耦合电容，焊盘的开路段可等效并联电容。

由于实验夹具的限制，无法彻底消除信号传输线的不连续影响，只能通过优化传输结构而使其不连续影响被控制在可以接受的范围内。例如：焊盘线宽的加大导致焊盘处的特性阻抗值变小，通过去除焊盘下方的铺地从而使焊盘处的传输线变为背面无铺地的共面波导结构，可以适当地提高焊盘的特性阻抗值；焊盘两边仍保留地线，并且两个衬底的地线在两衬底互连处通过金丝球凸点连接，这样做可以一定程度地减小插入损耗，抑制不需要的模式[3]。

通过HFSS建模可以仿真并验证传输结构的优化对传输性能的改善。仿真数据如图3（b）所示，S11和S21分别是优化后的回波损耗和插入损耗，S11-1和S21-1是优化前的。S11等于0dB表示完全失配，等于-∞dB表示完全匹配，在实际电路中，低于-20～-15dB是很好的匹配；S21表示1进2出的信号，等于0dB表示信号1进全从2出，等于-3dB表示有一半信号到达2端口，等于-∞表示无功率到达2端口，正值对应放大器产生的增益[4]。由图可知，经过对两衬底的互连处进行结构优化，互连处得到了更好的微波传输性能。

互连等效电路的提取方法是，根据HFSS电磁仿真中得到的S参数由该软件直接输出传输结构的集总元件模型，或者根据仿真得到的Smith chart转换出RLC等效模型，然后在先进设计系统（ADS）软件中建立电路模型，设置相应的参数初始值通过优化工具得到RLC的具体参数值，仿真传输特性曲线，使ADS中的等效电路得到的S参数曲线逼近HFSS所得的曲线，使得两曲线误差不超过5%，从而提取等效电路，最终确定互连结构的等效阻抗参数值[2]。根据上述方法得到两衬底互连结构的RLC等效电路如图3（c）所示。图3（d）为该等效电路的传输特性与HFSS建模仿真中的传输特性的比较。由图可知，两条曲线的误差在允许范围内，该等效电路能够较准确地反映三维电磁仿真中的衬底互连结构的等效寄生参数。

2.2 信号转接处不连续问题的优化设计

外围电连接衬底与同轴线间的信号转接由SMA接头实现，此位置将发生信号不连续传输。图4（a）为信号转接互连的仿真结构图，同轴连接器与微带线转接口处微带线宽的加大，形如贴片天线，产生能量辐射并引入插入损耗，通过端口处双层覆铜板地层的处理可以一定程度地减小损耗，设计中把焊盘处下方的铺地铜层去除也可有效地改善传输性能。图4（b）为结构优化前后的S参数仿真结果。S11和S21分别是优化后的回波损耗和插入损耗，S11-1和S21-1是焊盘两边无地线的结构，S11-2和S21-2是焊盘背面有铺地的结构。由图可见，优化后的结构极大地改善了SMA信号转接的S参数，使其S11小于-15dB，S21大于-1dB，符合良好传输线的要求。

2.3 设备互连不连续问题的优化设计

本文中设备互连是指MMIC芯片到基片之间的连接，即芯片到夹具系统PCB传输线的连接。此连接是通过焊料凸点来实现的。焊料凸点常呈感性。在此夹具中，芯片正放于夹具中央，芯片信号电连接衬底倒扣在芯片上，可以看作为倒置的封装结构。微波芯片封装的相关文献中研究了倒装互连焊点的传输特性，焊点的高度越高，直径越小，回波损耗和插入损耗越小，传输性能也越好[5]；焊点高度对芯片信号传输的影响显著，使用金焊点能够降低焊点高度对传输特性的影响[6]。以上结论均能在HFSS中建模仿真并得出相同的结果。

3 临时封装夹具整体的微波信号传输特性

在优化夹具微波信号传输中的不连续处后，将传输结构整合并通过HFSS建模仿真，能在一定程度上直观地反映本设计的微波信号传输性能。整体建模时还可加入一些实际工艺的考虑，如PCB表面绿油、焊盘设计，使仿真结构更逼近真实的夹具系统。图5为夹具整体的仿真结构及其传输特性参数。仿真中的芯片用一段直通的50Ω微带线代替，在后期实验中可以制作一段与芯片相同尺寸的50Ω微带线进行夹具传输特性的验证。仿真结果表明，夹具S11小于-15dB，S21大于-1dB，符合传输特性要求。

通过HFSS三维电磁仿真建模和ADS等效电路参数提取可以得到与替代芯片的直通微带线的传输特性及RLC等效电路，如图6所示。

将前文所得的衬底互连等效电路、SMA接口等效电路以及传输线寄生参数等效电路按夹具结构顺次连接，可以得到临时封装夹具整体的分布参数等效电路。在夹具的整体仿真中，由于芯片尺寸较小，输入与输出之间存在耦合电容。在ADS仿真中，传输线与芯片的互连以及替代芯片的微带线部分的等效电路如图7（a）所示。图7（b）为两种仿真中夹具整体在2～6GHz的 S11参数结果比较，由图可知，ADS得到的等效电路是合适的。

4 结论

鉴于微波传输线在微波系统中的重要地位，本文针对微波裸芯片的临时封装夹具，通过三维电磁仿真软件HFSS建立了微波信号传输路径的微波传输性能仿真模型，优化了传输线的不连续处的结构，从而减小信号完整性问题的影响，并借助电路分析软件ADS得到传输结构相应的分布参数等效电路，以便于对该夹具开展深入的研究。最终得到的传输结构在2～6GHz频段S11小于-15dB，S21大于-1dB，符合良好匹配传输线的要求。

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[2]WANG Xu， ZHANG Xia， LIU Johan.RF performance of flip chip ACA joints for CPW transmission lines[C]//2nd Electronics System integration Technology Conference,2008IEEE： 501-506.

[3]李绪益.微波技术与微波电路 [M].广州：华南理工大学出版社，2007：80.

[4]张虹，译.高级电子封装 [M].第二版.北京：机械工业出版社，2010：397.

[5]郑伟，李冰川.微波倒装焊互连技术及特性分析 [J].信息化研究， 2009， 35（2）： 5-8.

[6]CHAN E K L， GAO Bo， YUEN M M F.Reliability study of RFID flip chip assembly by isotropic conductive adhesive through computer simulation[C]//2009International Conference on Electronic Packaging Technology&High Density Packaging（ICEPT-HDP）， 2009IEEE： 1030-1033.