基于LTCC的毛纽扣垂直互连技术研究

司建文，徐 利，王子良

（南京电子器件研究所，南京 210016）

1 引言

低温共烧陶瓷（LTCC）技术，由于其在微波毫米波段表现出优异的微波性能，已成为目前二维微波多芯片模块的一项主流技术[1]。LTCC微波模块广泛应用于移动通信等电子设备中。LTCC技术将低温共烧陶瓷粉制成厚度精确而且致密的生瓷带，在生瓷带上利用激光打孔、微孔注浆、精密导体浆料印刷、叠片、层压及烧结等工艺制作所需要的电路图形，并将多个无源元件内埋于其中。印刷金属浆料一般为金或银，在850℃下烧结，制成三维空间互不干扰的高密度组件，也可制成内置无源元件的三维电路基板，表面可以贴装MMIC芯片等，制成二维多芯片微波模块。

随着通讯及雷达技术的迅速发展，当前基于单层LTCC基板的平面封装结构微波多芯片模块（MMCM）的体积已越来越不能满足微波模块小型化的需求[1]。将基于LTCC基板不同功能的MMCM进行三维垂直互连，实现三维立体封装，则可使微波模块的体积和表面积大幅缩小，重量减轻[2~3]。近些年，欧美等西方国家相继展开了三维垂直互连结构的研究，研制出多种波段应用于机载、星载和舰载等领域的三维结构微波组件，可以大幅度减小微波组件在其中占据的体积[4]。

三维多芯片微波电路模块封装技术中最关键的难点是如何实现二维多芯片微波电路模块间的垂直互连工艺，即将上下二维微波电路模块的输入输出相互连接，并实现垂直方向的机械连接。微波电路模块中的垂直互连包括层间微波信号、电源及地之间的互连，既要保证微波信号的完整性，又要有结构简单的特点。

LTCC模块间的垂直互连可以通过球栅阵列或连接器的形式将各层LTCC基板的输入输出互连，进而实现叠层式的三维模块。球栅阵列焊接是在基板的上下面都用焊料球进行垂直互连，但是这种垂直互连工艺的可靠性较低，易造成焊料堆积或空洞等缺陷，进而影响微波模块的性能。毛纽扣这种弹性连接器作为连接器件实现无焊连接，具有良好的微波和直流连接性能，美日及国内一些学者已经在微波低频段取得一些成果，但是在微波高频段的应用还需要进一步完善。

2 毛纽扣微波垂直互连三维结构设计

采用毛纽扣的无焊互连技术是目前实现微波信号三维垂直互连的一个主要方向。这种互连技术不仅微波性能好、对位方便，而且成本低、易拆卸。本文设计了两种结构的毛纽扣三维传输模型，分别是同轴型和三线型毛纽扣垂直互连模型，如图1和图2所示。

图1 同轴型毛纽扣三维传输模型

图2 三线型毛纽扣三维传输模型

基于三维电磁仿真软件HFSS，本文对两种毛纽扣三维传输模型进行仿真分析，模型中LTCC基板微波信号传输选用背面接地的共面波导传输线，通过增加高密度阵列接地通孔有效地抑制了X波段内的寄生模式。这两种模型中的信号从上层LTCC基板表面的共面波导传输线通过LTCC内部的垂直过孔过渡到毛纽扣，再通过毛纽扣传输到下层LTCC基板的共面波导传输线，信号通过对称结构再传输到上层LTCC基板。设计这种背靠背结构也是为了后续更好地进行测试。模型中LTCC基板选用FERRO公司介电常数为5.9的瓷带，厚度为0.1 mm，毛纽扣直径为0.5 mm，高度为3 mm，介电体选用介电常数为2.2的聚四氟乙烯材料。通过在三维电磁仿真软件中的优化设计，得到较好的仿真结果，图3为同轴型结构毛纽扣三维传输模型的仿真结果，图4为三线型毛纽扣三维传输模型的仿真结果。

图3 同轴型毛纽扣三维传输模型仿真结果

3 基于毛纽扣的LTCC微波垂直互连模块制作与测试

根据上述设计的毛纽扣三维传输模型，本文完成了基于毛纽扣的两种LTCC微波垂直互连模型的制作与测试。LTCC工艺的工序较为复杂，每一道工序的控制都很关键，其中3点对本文设计的模型尤为重要。其一是高精度线条的印刷工艺，由于本文的LTCC基板采用的是共面波导传输线，线条的宽度及槽宽是影响传输线性能的主要因素，因此必须保证印刷图形的精度。其二是高密度金属化阵列通孔加工工艺，高密度的接地通孔是抑制传输线上寄生模式的关键结构。其三则为LTCC基板的平整度控制，基板不平整一方面带来表面辐射损耗的增加，另一方面则影响到与毛纽扣的互连，容易发生互连不充分而导致断路。通过一系列的深入工艺研究，完成了LTCC基板的加工，如图5所示。

图4 三线型毛纽扣三维传输模型仿真结果

微波垂直互连模块中毛纽扣是由镀金的铜丝编织而成的圆柱，如图6所示。垂直互连模块的框架为黄铜材质，形成了LTCC基板和毛纽扣的支撑。毛纽扣嵌入聚四氟乙烯制作的介电体内，与黄铜框架形成了较好的绝缘特性。

图5 LTCC基板实物图

图6 毛纽扣实物图

根据图1和图2中的模型，本文完成了两种微波垂直互连模块的制作，如图7和图8所示，经过测试，在X波段内两种结构的垂直互连模块的微波传输性能都比较好。图9为同轴型毛纽扣微波垂直互连模块的测试结果，图10为三线型毛纽扣微波垂直互连模块的测试结果。

图7 同轴型毛纽扣微波垂直互连模块

图8 三线型毛纽扣微波垂直互连模块

图9 同轴型毛纽扣微波垂直互连模块测试结果

图10 三线型毛纽扣微波垂直互连模块测试结果

从这些图中可以看出，毛纽扣垂直互连模块的制作方法简单，微波传输性能良好。同轴型毛纽扣垂直互连模块结构简单，体积小，但在受到挤压时，虽然射频线可以保持连接良好，但是信号地无法保证在振动情况下保持优良的连接。三线型毛纽扣垂直互连模块就可以在受到挤压时，两边的毛纽扣也能够获得良好的接地连接，但同样带来了体积较大的问题。因此在使用时，可以根据实际的需求选用同轴型或者三线型的毛纽扣垂直互连模型。

4 结论

本文基于LTCC工艺、共面波导传输理论以及毛纽扣互连特性，分别建立了同轴型和三线型两种结构的毛纽扣垂直互连模型，并进行了优化设计和制作、测试。最终的测试结果显示了该垂直互连模型在X波段具有良好的微波特性，为LTCC微波模块的垂直互连奠定了基础。

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