基于BGA封装的X波段延时组件设计.pdf
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1、2023.22 科学技术创新基于 BGA 封装的 X 波段延时组件设计徐世文(中国电子科技集团公司第三十八研究所,安徽 合肥)引言BGA(Ball Grid Array)称为球栅阵列封装,是由日本 IBM 公司与 CITIZEN 公司于 20 世纪 90 年代初合作研制的1。BGA 封装是在 PGA 和 QFP 的基础上发展的,基于 PGA 的阵列布置,将插针改换为焊球,同时基于 QFP 的表面贴装工艺,采用回流焊技术,具备成品率高、散热性能好、射频性能稳定等特点2。目前 BGA 封装已广泛应用于高端 IC 芯片封装,是微电子高密度、小型化主流发展趋势3-4。另外,通常的组件采用传统砖块式设计
2、,已无法满足弹载、星载、无人机载对体积、重量的苛刻要求,急需开发轻量化、高集成、芯片化组件。本文针对相控阵雷达系统对于组件轻量化、高集成的需求,提出了一种基于 BGA 封装的 X 波段延时组件。其剖面厚度低于 3 mm,重量小于 2 g,与传统砖块式组件相比,显著降低了整机的重量和体积。本文将从系统组成、仿真设计、实物测试等几个方面进行详细介绍。1系统组成射频方面,延时组件考虑尺寸因素,采用两块延时芯片来搭 1姿/2姿/4姿/8姿 的延时路径,另外选用收发放大芯片来补偿整个组件的收发增益要求。控制方面采用集成波控和电源调制的控制芯片。整个延时组件的组成框图如图 1 所示。延时组件采用陶瓷 BG
3、A 的封装方式,射频及低频控制端口均为 BGA 焊球,陶瓷基板选择氧化铝高温共烧陶瓷 HTCC。电子封装材料需要能与 HTCC 基板热膨胀系数相匹配,且满足高热导率,高抗拉强度,同时也要重量轻,机加和密封性能好。目前常用的封装材料有可伐、铝合金、钛合金和硅铝合金等,可伐和钛合金优势在于结构强度高,能与陶瓷热膨胀匹配5。综合考虑成本下选择可伐合金做围框和盖板材料。2仿真设计2.1射频传输线设计由于延时组件表层芯片的射频端焊盘与底部BGA 焊球不在同一个竖直方向,因此决定在 HTCC 基板中用一段带状线来调整射频传输的路径。另外 BGA焊球大小也跟射频传输性能息息相关,因此也将其建模在整体模型中,
4、仿真模型如图 2 所示。紫色的部分为射频传输路径,由表层微带、键合金丝、垂直过渡、带状线、BGA 焊球组成。表层微带线宽基于 50赘 阻抗计算。部分仿真结果如图 3 和图 4 所示。图 3 显示了不同带状线的宽度对射频传输路径的影响,从结果来看宽度为 0.1 mm 时回波损耗最小,宽度为 0.18 mm作者简介院徐世文(1992-),男,博士,工程师,研究方向:微波系统及组件设计。摘要:随着现代武器装备的不断发展,高集成、小型化方向成为系统主流发展趋势。组件作为有源相控阵天线系统的重要组成部分,其性能和结构尺寸是整机的关键影响因素。本文提出了一种采用 BGA 封装设计的X 波段延时组件,不光具
5、备延时功能和收发补偿,还具有显著的轻型化特征,可广泛应用于小型化雷达系统中。关键词:X 波段延时组件;BGA 封装;相控阵雷达中图分类号院TN405文献标识码院A文章编号院2096-4390渊2023冤22-0011-04图 1延时组件组成框图11-科学技术创新 2023.22时回波损耗最大。考虑组件可靠性,宽度越小的带状线在实际生产或者使用过程中断裂的风险越大,综合考虑判断,设计选择 0.16 mm 宽的带状线。图 4 显示了在不同半径 0.2 mm0.3 mm 之间的焊球大小与射频回波损耗的关系,球径越大,回波损耗越大,但均满足回波损耗小于-20 dB。从工艺方面考量,BGA 球直径越小,
6、其可靠性越差,处于组件边缘的焊球在高低温工作时容易受到热应力的作用而开裂。因此设计上BGA 焊球选择半径为 0.3 mm。在 812 GHz 频段范围内,不同条件的约束下,整个射频传输路径回波损耗小于-20 dB,满足设计指标要求,为下一步工程化提供了理论仿真上的支持。图 2仿真布局图 3不同带状线宽度与回波损耗的关系图 4不同焊球大小与回波损耗的关系2.2热学仿真延时组件作为有源组件,在系统运行时热量的积累或许会引起组件本身射频性能的改变。在设计时我们对延时组件进行了热学仿真。延时组件底部采用HTCC 基板,基板内通过高密度金属化通孔接地改善热导率。围框和盖板采用可伐合金,内部芯片用导电胶粘
7、接到 HTCC 基板。热学仿真结果如图 5 所示。图 5延时组件温度分布云图仿真结果表明,达到稳态条件时,组件内最高温度56.6 益。各芯片温度均满足降额温度指标要求。2.3力学仿真延时组件不仅要求具备良好的射频性能,结构上的可靠性在设计时也需要着重考虑,来满足复杂的实际工作情况,因此对其进行了力学分析。延时组件有限元模型如图 6 所示。进行力学分析时,焊膏底面全约束。结构盖板使用 4J42 可伐合金,围框使用 4J29 可伐合金,基板为 HTCC。焊膏为锡铅合金 Pb37Sn63,焊球为高铅合金 10Sn90Pb。图 6有限元模型由于随机振动频率范围为 202 000 Hz,正弦扫描试验频率
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