（电磁场与微波技术专业论文）毫米波接收前端多芯片组件（mcm）技术研究.pdf

注1 注明国际十进分类法u d c ) 的类号 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 边圭丛 导师签名： 延必 日期：认j 年l 月砣日 电子科技大学论文 论文题目：毫米波接收前端多芯片组件( m c m ) 技术研究 硕士生：张斌 导师：延波 中文摘要 ( 在微波、毫米波系统中，前端部件对系统性能起着关键性的作用彳本文采用 多芯片组件( m c m ) 技术对毫米波双通道接收前端的理论和设计进行了研究。 本文首先论述了毫米波及其特点，毫米波集成电路及其发展趋势，介绍了国 内外m c m 的发展动态。然后论述了m c m 的基本理论，并对平面传输线在微波、毫 米波m c m 中的应用进行了分析介绍，其中以薄膜微带线和多层介质中的共面波导 为例，进行了详细的分析研究。 本文针对毫米波两路接收前端采用m c m 技术、l t c c 工艺，对其电路布局、 无源电路( 包括波导一微带过渡、3 d b 耦合环功分器和中频低通滤波器) 和偏置 电路进行了研究，并在此基础上完成了毫米波接收前端多芯片组件的设计。 关键词：毫米波，接收前羝多芯片组件，低温共烧陶瓷 f 、 电子科技大学论文 a b s t r a c t ( 英文摘要) i nm i c r o w a v ea n dm i l l i m e t e rw a v e s y s t e m ， f r o n t e n d p 】a y s a s i g n i f i c a n t r o l ef o r t h ew h o l e s y s t e mp e r f o r m a n c e u s i n gm u l t i c h i p m o d u l e s ( m c m ) t e c h n o l o g y ，t h et h e o r y a n d d e s i g n f o rt h et w o c h a n n e l m i l l i m e t e rw a v ef r o n t ，一e n di s p r e s e n t e di nt h i st h e s i s f i r s t l y ，t h em i l li m e t e rw a v ea n di t sc h a r a c t e r i s t i c s ，t h em i l l i m e t e r w a v ep l a n a ri n t e g r a t e dc i r c u i t sa n di t sd e v e l o p m e n t ，a n dt h et r e n do fm c m i nh o m ea n da b r o a da r ei n t r o d u c e d t h e n t h eb a s i ct h e o r yo fm c mi s d i s s e r t a t e d t h ea p p l i c a t i o n so fp l a n a rt r a n s m i s s i o ni i n e si nm i c r o w a v e a n dm i l l i m e t e rw a v em c m ，s u c ha st h i n f i i mm i c r o s t r i pl i n ea n dc o p l a n a r w a v e g u i d eo nm u l t i l a y e rs u b s t r a t e s ，a r ed i s c u s s e d u s i n g l t c c t e c h n o l o g y ，t h e c i r c u i t l a y o u t ，p a s s i v ec o m p o n e n t s ( i n c l u d i n gw a v e g u i d e t o m i c r o s t r i pt r a n s i t i o n ， 3 d br a t r a c e p o w e r s p l i t t e ra n di fl o wp a s sf i i t e r ) a n db i a sc i r c u i ta r ed i s s e r t a t e d r e s u l t f r o m t h e s e ，t h em i l l i m e t e rw a v e ( m u l t i c h i pm o d u l e s ) f r o n t e n d i s s u c c e s s f u l l yd e s i g n e d k e yw o r d s ：m i l l i m e t m lw a v e ，f r o n t e n d ，m u l t i c h i pm o d u l e s ，l t c c 2 电子科技大学论文 1 1 毫米波及其应用 第一章绪论 毫米波是波长介于1 l o m m 的电磁波。从频谱分布来看，毫米波低端与微波 相连，高端与红外、光波相接。与微波相比，毫米波绝对带宽宽，天线增益高、 波束窄、分辨率高、结构轻小；与红外光波相比，它在雨雾烟云等恶劣气候及 复杂环境中的穿透性能好，作用距离较远，能全天候工作，从而常被用来弥补微 波与红外光波的不足。目前毫米波已广泛应用于雷达、制导、电子对抗、保密 通信等领域【1 】 2 1 。 1 2 毫米波集成电路及其发展趋势 毫米波混合集成电路，简称毫米波集成电路，由毫米波半导体器件和平面传 输线构成，其特点是无源电路采用分布参数的平面传输线( 主要是微带线) ，毫 米波半导体器件封装后焊接到电路中【3 1 。 毫米波技术发展过程中面临的主要问题是可靠性和低制造成本。为了保证毫 米波系统的小体积、轻重量和高可靠性，并尽可能降低制造成本，毫米波元部件 和子系统一直沿着波导，同轴立体电路一混合集成电路一单片集成电路一多层多 芯片模块( m c m ) 在向前发展。 1 3m c m 国内外动态 m c m ( 多层多芯片模块) 技术是继混合电路、a s i c 、s m t 之后，于8 0 年代初 发展起来的种新型电路形式。从封装、互连结构来说，它是在高密度、单芯片 封装的基础上发展起来的一种新的组装结构。m c m 集中了半导体i c 的微细加工 技术、混合集成电路的厚薄膜技术以及印刷电路板的多层基板技术，是典型的高 技术、多技术产品，是实现整机小型化、轻量化、多功能化、高可靠、高性能的 最有效途径，被美国列为9 0 年代军工六大关键技术之一，因此它代表了当今混 合集成电路的发展方向【4 】。 国外m c m 技术已发展多年，现已得到广泛应用。目前美国和日本处于领先地 位，例如n e c 公司、h u g h e s 公司、r c a 公司、i t t 公司和t r w 公司等都有微波、 电子科技大学论文 毫米波组件产品报导，可分别应用于卫星微波通信、l m d s 、g p s 以及雷达等领域。 其中t r w 公司的3 5 g h zt r 组件接收增益1 9 d b ，发射功率大于6 w ( 脉冲) ， 功率附加效率2 4 。 n e c 公司研制的6 0 g h z 收发模块【5 1 ，采用a i n 多层高温共烧h t c c 技术，大小 仅为2 1 x 1 6 x 3 0 5m m 3 ，是目前已知的工作频率最高的a i n 多层高温共烧m c m 。其 多层结构分为四层导体层，包括r f & d c 电路层，r f 接地层，i f & d c 电路层，d c i f 接口层和三层a i n 介质层。模块采用共面电路形式，传输线采用微带线、共面波 导及波导( w r l 5 ，由介质内部腔体表面金属化形成) ，层与层之间通过垂直金属 化通孔互连。r f 接口由波导一微带线过渡实现，发射模块输出功率1 6 i d b m ，增 益1 5 o d b ，在6 1 6 g h z 处s s b 相位噪声低于一8 4 d b c h z 1 0 0 k h z ；接收模块噪声 系数5 2 5 d b ，增益3 1 d b ，5 9 5 g h z 处的镜像抑制为1 8 d b 。 n e c 公司研制的k a 波段全集成收发多芯片组件【6 】，尺寸为3 5 x 3 5 6m m 3 ，已 成功应用于l m d s 。组件采用共面电路形式，由三层a i n 层和四层导体层组成， 发射模块饱和输出功率为2 3 d b m ，最大增益大于2 5 d b ，3 1 1 5 g h z 处s s b 相位噪 声为9 l d b c h z 1 0 0 k h z ；接收模块噪声系数7 o d b ，增益1 5 d b 。 美国佐治亚理工学院研制的5 8 g h z 集成收发模块【7 】，采用l t c c 工艺，共面 电路形式。组件总尺寸为1 4 x 1 9 x 2 删n 3 ，天线辐射效率为4 8 ，带宽l2 。滤波 器插入损耗一3 5 d b ，镜像抑制一2 0 d b 。 欧洲i m e c 研制的5 g h z 低功率r f 接收前端【8 】，采用m c m - d 技术，通过薄膜工 艺实现无源器件。集成薄膜t a n 电阻，典型阻抗为1 0 一i 0 0 q 3 ；电容器可通过金 属一绝缘体一金属( m i m ) 实现，电容典型值为3 p f m m 2 ( 大电容值可达到0 8 n f r a f t ) ： 螺旋电感值可做到0 5 n h 一8 0 n h ，空载q 值可达到i 0 0 。整个接收前端增益2 2 d b ， 噪声系数7 5 d b ，i d b 压缩点输出功率- 2 5 d b m ，尺寸为g 5 7 咖2 。 由上述几组资料可以看出，国外的微波、毫米波频段m c m ，多采用m c m c 和 m c m d 技术，传输线多为共面波导和微带线，层间互连通过金属化通孔实现。 国内m c m 技术的发展起步较慢，发展初期主要集中在工艺、材料、检测技术 的探讨与研究上【4 】【9 】【1 0 】【1 1 】1 1 2 】，目前在低频和微波频段m c m 电路的设计已经开展 1 3 【1 4 】【1 5 】【1 6 】【1 7 】，电子4 3 所、5 5 所已研制出微波频段m c mt r 组件；但目前国内 还未有关于毫米波m c m 产品的报告，对毫米波m c m 的研究尚处于起步阶段。 4 电子科技大学论文 1 4 课题简介 本课题来源于军事电子预研项目“毫米波组件m c g 技术研究”。 最终设计目标是： 频率范围： 噪声系数： 增益： 中频： 基板层数： 输入接口： 输出接口： 3 s g h z 5 0 0 m h z 1 0 扭 2 5 如 1 0 0 无己乜 3 层 b j 一3 2 0 标准波导 s m a 电子科技大学论文 第二章m c m 基本理论 2 1m c m 的定义、分类及特点 2 1 1m c m 的定义 对m c m ( m u l t i c h i pm o d u l e ：多芯片组件) 的定义国内外有不同的说法，主 要原因是m c m 是一种倍受多方重视而发展非常迅速的新技术，过去传统的混合 i c 、半导体i c 和电路设计等专业、行业均竞相加入这一新的技术竞争所形成的。 在今天人们普遍认为m c m 的新的含义必须具备以下三个条件： ( 1 ) m c m 组装的主要是v l s i u l s i a s i c 裸芯片，而不是m s i 和s s i 等中小 规模集成电路： ( 2 ) 在技术上，m c m 所追求的是高速度、高性能、多功能、高可靠，而不 像一般混合i c 技术以缩小体积、重量为主； ( 3 ) 典型的m c m 必须满足：芯片面积至少占基板面积的2 0 以上，多层 布线基板的导体层数至少应有4 层，封装外壳有i 0 0 个以上的i o 引 出端。 这里我们采用文献 4 】的定义：m c m 是将2 个或2 个以上的大规模集成电路 ( l s i ) 裸芯片和其他微型元器件( 含片式化元器件) 电连接于同一块共用的高 密度互连基板上，并封装在同一外壳内所构成的具有一定部件或系统功能的高密 度微电子组件。基本构成如图2 一l 所示， 散热器 图2 - im c m 的基本构成示意图 2 1 2m c m 的种类与结构 按基板材料与基板制作工艺来分类，即采用国际互连和封装电路学会的分类 6 电子科技大学论文 方式，m c m 可分为m c m l ( 叠层多芯片组件) ，m c m c ( 共烧陶瓷多芯片组件) ，m c m d ( 淀积多芯片组件) 。 表2 1 、2 2 描述了m c m 的类型及典型结构， 表2 - lm c m 的类型 m c m l 内外层开口型多层板 内埋置导通孔多层基板 叠层型 高温共烧陶瓷多层基板( h t c c ) m c m 一( ：低温共烧陶瓷多层基板( l t c c ) 陶瓷厚膜型厚膜多层基板 m c m d c ( 陶瓷基板) m c m d d s i ( 硅基板) d m ( 金属基板) 沉积薄膜型 d s ( 监蕞自墨敬) 表2 - 2m c m 的典型结构 基板主要构成材料 种类基板结构 导体层绝缘层基材 通孔多层基板c u 箔玻璃环氧树脂 m c m l 内外层通孔多层基板玻璃聚酰亚胺 复合多层基板c u ( 添加)环氧树脂等 高温共烧多层基板w ，m oa 1 2 0 s ，a i n 等 im c m c低温共烧多层基板 a g ，c u ，a u ，p d 系玻璃陶瓷等a 1 。0 ，基板等 厚膜多层基板a g ，c u ，a u ，p d 系晶化玻璃系等 陶瓷基薄膜多层基板c u ( 添加) a l z 0 3 基板多层基板 【m c m d金属基薄膜多层基板a u ( 蒸发)聚酰亚胺 a i n 多层基板 c u 、a l 基板 硅基薄膜多层基板a 1 ( 蒸发)b c b ，s i 0 2 s i 基板等 、m c m - l m c m l ( m u l t i - c h i pm o d u l e l a m i n a t e ) ，叠层m c m ，也有人称之为p c b m c m ， 是在多层印刷电路板( p c b ) 技术和板上芯片( c o b ) 技术的基础上发展起来的。 其定义为在使用传统p c b 工艺和材料制造的高密度叠层基板上，组装有裸芯片的 组件。这一定义包含三层意思，即传统的p c b 技术、高密度的叠层基板技术和组 装的是裸芯片。以往，p c b 使用的是封装好的器件。m c m - l 是将裸芯片直接组装 在叠层基板上，而且叠层板的布线密度远远高于传统的p c b 基板，这是m c m - l 和 电子科技大学论文 m c m l ( 案层介质)厂1 嘲匝孔 呦撼板 国匡萤 主要应用于5 0 1 5 0 i h z 的频率范围内，但是国外用射极耦合逻辑电路， 采用m c m l 封装形式成功地获得了g h z 的频率。随着i c 技术向高频和 低逻辑电压的方向发展，叠层材料和m c m - l 工艺也会得到进一步的改进， m c m l 在高频领域的应用也会得到更进一步的扩展。 ( 3 ) 缺点：同m c m - c 和m c m - d 一样，m c m - l 也面临着已知好芯片( k g d ：k n o w n 电子科技大学论文 散出去。尽管厚的覆铜导体和固体散热器有助于解决这一问题，但是在 某些特定情况下，有必要用嵌入式金属板提供有效的散热通道。在m c m l 基板上采用倒装焊技术实现基板与芯片之间互连，也是一种有效的提高 m c m l 热耗散能力的方式，芯片上产生的热量可以直接从裸芯片的背面 散发出去。采用m c m - l 封装结构时，还必须考虑叠层基板和硅芯片的 热膨胀系数( c t e ) 不匹配的问题。 m c m l 以其独特的性能和优点，在电子产品的各个领域，从便携式通信产品 到大型超级计算机得到了越来越广泛的应用与发展。 二、m c m c m c m 基梗 一海磊 电子科技大学论文 ( 1 ) 厚膜多层基板 厚膜多层基板是在陶瓷基片表面交替印刷、烧结厚膜导体浆料和玻 璃介质浆料而形成的一种多层布线结构，布线层之间通过通孔进行互连。 厚膜多层基板分两种类型：一种是导体介质的纯互连系统；另一种是含 阻容元件的导体介质阻容系统。前者在顶层上组装各种外贴元器件或 单片集成电路，后者可在顶层印制或层间埋置阻容元件，然后再在顶层 上组装各种外贴元器件或单片集成电路。厚膜多层基板由于每层厚膜导 体或介质都要经过丝网印刷、烘干、烧结等工序，布线图形的不连续性 易使覆盖介质表面出现凹凸不平，层数越多则介质表面不平整程度越严 重，影响了厚膜多层基板实用层数的增加。目前一般采用的层数在1 0 层 以下。 ( 2 ) 共烧陶瓷多层基板 共烧陶瓷多层基板是由印有导电带图形和含有互连通孔的多层陶瓷 生片相叠烧结而形成的一种互连结构，也是导体和绝缘介质交替形成的 一种致密的独石结构。基板内部导体层与介质层交替排列，导体层包括 信号层、电源层与接地层，可根据组件的互连要求，对它们作适当的交 叉排列。导体之间由通孔实现立体互连。多层基板的通孔，可根据布线 要求而灵活设计。高密度多层互连基板可以最大限度地增大布线密度和 尽可能地缩短互连线长度，从而提高组装密度和信号传输速度。共烧陶 瓷多层基板由于使用多层导电带金属化烧结和多层陶瓷生片烧成同时完 成的工艺( 陶瓷多层共烧工艺) ，其层数可以做得较多( 理论上没有限制) ， 因此布线密度也较高。对于高密度应用，在h t c c 和l t c c 的陶瓷结构中 均可制作空腔，以容纳有源器件和无源元件。使用空腔时，多键合点的 焊架适用于小间距焊盘，使线焊或载带自动焊更易完成和更为可靠。此 外，基板材料的热胀系数可以调接到和硅器件一致，有利于在基板表面 安装硅器件。由于共烧陶瓷多层基板能适应电子整机对电路小型化、高 密度、多功能、高可靠、高速度、大功率的要求，所以获得了广泛应用。 高温共烧陶瓷多层基板 高温共烧陶瓷多层基板的共烧过程是在1 6 0 0 1 8 5 0 。c 的高温下完成 的，由于烧结温度高，必须采用钨和钼锰合金等耐熔金属作为导体，而 且烧结时必须采取保护措施，防止导体氧化。其特点是结构强度高、电 电子科技大学论文 热性能好、化学性能稳定和布线密度高。目前，高温共烧陶瓷多层基板 的技术水平为6 0 层，导体线宽为0 2 m m ，导体线距为0 5 m m ，通孔直径 为0 2 r i m l ，布线密度为4 0 c m c m - 2 ，基板最大尺寸为( 1 2 7 x 1 2 7 ) c i l l 2 。v l s i 、 a s i c 、微波半导体器件、各类大功率器件均采用高温共烧陶瓷多层基板 封装技术。 低温共烧陶瓷多层基板 低温共烧陶瓷多层基板的共烧温度一般在8 0 0 9 5 0 。c 之间，由于烧 结温度低，可用电阻率低的金、银、铜等金属作为多层布线的导体材料， 可在空气中进行烧结。l t c c 多层基板可以提高组装密度、信号传输速度 及内埋与多层基板一次烧成的钌系电阻、电容。埋置电阻、表面电阻和 电容器均可设计为l t c c 电路的组成部分。l t c c 陶瓷基片的组成可变化， 以提供一系列具有不同电气和其他物理性质的介质材料的组合( 例如， 介电常数可在4 4 0 0 之间变化，热胀系数可设计成与硅、砷化镓或铝相 匹配) 。低温共烧陶瓷多层基板的性能优良，可用作高速m c m 的高密度互 连基板。目前已在计算机、通信、军事等领域获得应用。 ( 3 ) 三种m c m c 技术对比 厚膜多层技术与共烧陶瓷技术的主要区别在于：厚膜多层布线需要 一个基片作为支撑，而且需要逐层依次制造。每一布线层需要印刷6 次， 其中包括独立印烧介质层3 次( 有时4 次) 、填充通孔2 次及印刷导体1 次。并且每次印刷后都要烧结。采用共烧技术制造类似结构，所有叠压 层仅仅需要烧结一次，烧结后的处理工序也只有三四步。厚膜多层基板、 h t c c 多层基板、l t c c 多层基板的技术对比示于表2 - 3 。由表2 - 3 中可以 看出，由于厚膜多层电路的每一布线层均需印刷、烧结各6 次，所以1 0 层布线的电路需相继印刷、烧结6 0 次。h t c c 技术虽具有共烧技术的优点， 但需在保护气氛中高温烧结，必须使用耐熔金属作为厚膜导体。l t c c 技 术结合了共烧技术和厚膜技术的优点，可使用标准厚膜导体，在空气中 低温烧结，1 0 层布线的电路仅需每布线层印刷2 次及全部布线层共烧1 次。表2 4 在工艺技术方面，表2 5 在机械和电气特性方面对三种m c m c 进行了比较。 电子科技大学论文 表2 - 3 三种m c m c 技术的对比 陶瓷共烧技术 厚膜多层技术 h t c c 技术l t c c 技术 需基片支撑独石结构1 6 0 0 0 c 烧结8 5 0 0 c 烧结 串联工艺流程并行工艺过程需用耐熔金属( 钨使用标准厚膜 每布线层印刷6 次每布线层印刷2 次( 1和钼锰合金)导体( 金和银) ( 3 层介质，2 次次填孔，1 层导体)氢气中烧结空气中烧结 填孔，1 层导体)1 0 层布线仅需共烧1需长时间排除有标准厚膜工艺 1 0 层布线需相继次，另加三道后处理机物 时间 烧结6 0 次： 序一般使用氧化铝多种介质 需保护外壳气密封装介质 表2 4 三种m c m - c 技术的特点和优点的比较( 1 级最佳) 特点厚膜h t c cl t c c优点 材料和工艺成熟 l13 生产效率高 设计周期短 331 对设计变化的响应快 开发费用低 13l 试制成本低 印刷分辨率高 321 高频应用 层数不受限制 3l1能达到最高电路密度 烧结过程l3l沿用现有厚膜材料 1 艺迓弹j 诧 231 设计灵活性最大 焊接 312 封装工艺简便 严密的工艺控制 23l 提高总生产效率 对芯片引线和表面组装设备的适应性 111 设计的机动性强 空腔 3l1 多键合点焊架 表2 - 5 三种m c m - c 机电特性的特点和优点的比较( 1 级最佳) 特点厚膜 h t c cl t c c 优点 翘曲度小 221 提高线焊设备生产效率 表面粗糙度小 321 高频性能较好 顶层尺寸稳定程度高 132提高线焊设备生产效率的稳定程度 热胀系数与氧化铝或硅的匹配程度最佳 231提高组装能力 热导率高 213热特性良好 密封性佳 211 提供封装 导体的电导率高 131 采用细线和小空间设计 介质特性控制优良 311 电性能更相容 机械强度高 213 封装更牢固 m c m c 技术的未来发展领域为：高频应用、新型陶瓷材料、埋置无源元件、 细间距互连和热控制技术。厚膜多层基板技术和高温共烧陶瓷多层基板技术由于 它们的成熟性，已成为今天的技术。然而，未来属于低温共烧陶瓷多层基板技术。 今后，材料不断改进、工艺控制更完善和技术日趋成熟等因素将使l t c c 的天然 电子科技大学论文 优势更为突出。 三、m o m d m c m - d ( m u l t i - c h i pm o d u l e d e p o s i t e dt h i nf i i m ) ，淀积薄膜型m c m ，是 在s i 、陶瓷或金属基板上采用薄膜工艺形成高密度互连布线而构成的多芯片组 件( 结构如图2 4 所示) 。m c m d 组装密度很高，属于m c m 中的高级产品，与前 两类m c m 相比，它的布线线宽和线间距都最小，具有更高的布线密度、封装效率 以及更好的传输特性。对于同等互连密度，m c m d 所需的布线层数远远少于 g e m c 。两者的差，甚至可超过一个数量级，但卅d 的成本也相应较高。m c m d 特别适合于要求组装密度高、体积小的高速信号传输和数据处理系统，主要应用 于高频高性能产品。 信号 图2 _ 4m c m - d 结构示意图 薄膜多层布线基板是m c m - d 的关键组成部分，系采用真空蒸发、溅射、c v d 、 电镀、旋涂、阳极氧化等薄膜工艺以及湿法刻蚀( 光刻) 和千法刻蚀( 反应离子 刻蚀、等离子刻蚀、激光刻蚀) 等图形形成技术，在绝缘基板( 或表面带有绝缘 层的硅片和金属基板) 上制作薄膜导体与绝缘介质薄膜相互交叠的多层互连结构 基板( 有时可内埋置薄膜电阻、电容、电感等薄膜无源元件，也可埋景i c 芯片) 。 薄膜多层布线基板相对于其他类型多层布线基板而言，主要有如下优点： ( 1 ) 布线密度高( 可高达7 9 线毫米) 、体积小、重量轻。因为薄膜布线的线 宽和线间距小( 可达5 l o p m ) ，层问绝缘介质薄( 一般1 0 u i l l 左右) 。 ( 2 ) 信号传输延迟小，传输速度快，线间串扰小。薄膜多层布线层间绝缘介 质膜的，较低，一般为3 1 3 5 ( 可达到2 4 ) ，远远小于厚膜多层布线 基板和共烧陶瓷多层基板等的层间绝缘介质层的r 从而可使信号延迟 减小6 0 左右；且介质膜薄、布线密度高，i c 芯片间的互连线短，电阻 率低，因此大大降低了信号传输延迟和线间串扰。 ( 3 ) 高频特性好，可适用于g h z 频率以上的高性能数字或数模混合系统。这 电子科技大学论文 是因为薄膜多层布线细、层间绝缘介质膜的，小，从而使得层间分布参 数小的缘故。 ( 4 ) 可以制作内埋有薄膜电阻、电容、电感等薄膜无源元件以及i c 芯片的 埋置型薄膜多层布线基板。 ( 5 ) 可采用硅片作基板制成硅基薄膜多层布线基板，消除了半导体i c 芯片 与基板之间的热失配现象，大大提高了可靠性，同时可迸一步提高布线 密度和散热性。 ( 6 ) 可采用金属( a 1 ，c u ) 作基板，制成金属基薄膜多层布线，大大提高了 散热性，可制成高密度智能化的功率m c m 。 表2 6 描述了不同多层互连技术特性之间的比较。 表2 - 6 不同多层互连技术特性比较 项目薄膜厚膜高温共烧陶瓷印制板叠层 导体材料。铜( 铝、金)铜( 金)钨( 钼)铜 厚度岬1 51 52 5 线宽呷l o 2 51 0 0 1 5 01 0 0 1 2 57 5 1 2 5 线间距u i i i5 0 1 2 5 2 5 0 3 5 02 5 0 6 2 51 5 0 2 5 0 键合焊区间距l u n 1 0 02 5 0 3 5 02 0 0 3 0 02 0 0 最多的层数 4 1 05 1 0 +5 0 +4 0 + 介质绝缘材料聚酰亚胺玻璃一陶瓷a 1 2 0 3环氧树脂玻璃 介电系数 3 56 99 54 8 厚度层岬 2 53 5 6 51 0 0 7 5 01 2 0 最小通孔直径呷 2 52 0 01 0 0 2 0 03 0 0 电特性 传输延迟i p s c m 6 29 01 0 27 2 方阻g f t 口 3 431 00 7 线电阻q c m1 3 3 4 0 2 0 30 8 10 0 6 0 0 9 带状线电容p f c m 1 2 54 3 2 11 4 6 注：( 1 ) 指主要导体材料，括号中为可选材料。 从上述列表可见，薄膜多层互连具有最好的高速性能和最高的互连密度，这 是因为它具有良好的材料特性和高的布线纵横尺寸比。由于薄膜多层布线基板具 有前述很多优点，所以相当部分m c m 都采用此基板或与薄膜多层互连密切相关的 混合多层基板c d 或l i d 型，尤其是宇航、航空、通信、计算机等高新技术领域 应用更为广泛。 1 4 电子科技大学论文 四、混合类型m c m 混合型多芯片组件是一种高级类 型的多芯片组件，它具有更优越的性能 成 和最佳的性能价格比( 参见图2 5 ) ， + 组装密度高，噪声和布线延迟均比其他 类型的m c m 小。因此在大型、高速计算 机系统、数字通信系统、高速信号处理 系统以及笔记本型计算机子系统中广 泛应用。 图2 - 5 几种m c i d 的成本和性能比较 混合多层基板是混合型多芯片组件的关键组成部分。混合多层基板是指两种 ( 或多种) 不同类型的多层基板技术结合制作的多层基板，其优点是通过结合不 同多层基板技术的性能和布线密度、组装效率，降低成本。混合多层基板大体可 按图2 6 进行分类。 图2 - 6 混合多层基板分类 ( 1 ) 厚膜一薄膜混合型 这是早期的混合多层基板类型，其中主要有两种。一种是采用薄膜 工艺( 真空镀膜和光刻等) 在基板上形成薄膜导体层图形，再通过丝网 印刷、烧成等厚膜工艺形成厚膜介质绝缘层。另一种简称为c p h ，是采 用电镀、光刻技术形成布线导体层，用旋涂法形成聚酰亚胺绝缘层，底 层内埋r u 0 2 厚膜电阻。最小导体宽度和间距可达2 0 1 a m ，厚膜电阻最小宽 度为3 0 0 p m 。 ( 2 ) 共烧陶瓷一薄膜混合型 这是在高温共烧陶瓷多层基板或低温共烧陶瓷多层基板上，通过薄 蓄 幕 ，广 一层 一蛩 电子科技大学论文 膜工艺制作薄膜多层布线构成混合多层布线基板。其中薄膜多层布线作 为信号线、接地线和焊区，这是利用薄膜多层布线具有信号传输延迟小、 布线密度高的优点。共烧陶瓷多层布线作为电源线和接地线或低速信号 线，这是利用它易于实现较多布线层数和适宜于大电流的优点。 共烧陶瓷一薄膜混合型多层布线基板是目前混合多层布线基板中发 展最为迅速、应用最为广泛的一种。由于它所构成的混合多芯片组件 m c m c d 具有更高的性能价格比、优良的性能，所以倍受人们的青睐。其 中尤其是以低温共烧陶瓷一薄膜混合型多层布线基板以及氮化铝高温共 烧陶瓷一薄膜混合型多层基板所构成混合多芯片组件更为受到重视，应用 日益广泛。共烧陶瓷一薄膜混合型多层基板有如下主要特点： 可采用电阻率低的c u 作为信号线主导体，介电系数小的聚酰亚胺 或着其他低介电系数有机介质作为层间隔离绝缘层，构成薄膜信号多层 布线结构，最有利于实现高密度布线、高功能、高速信号传输等。 作为薄膜多层布线基板的共烧陶瓷多层基板既对薄膜多层布线起 承载体作用，又可在陶瓷基板内部采用厚膜工艺形成电源层、接地层和 i o 引出端；当采用低温共烧陶瓷多层基板时，还可在陶瓷内部同时设置 电源层、接地层、i o 引出端以及低速信号布线层。因此电源噪声特性好， 适用于大规模、大电流m c m 。 其基板材料除用a 1 ：0 。外，还可以采用a 1 n 等高导热性陶瓷，使所 构成的m c m 具有良好的散热性。 固布线基板与封装可结合在一起，从而降低成本。 可使内含电源层和接地层的共烧陶瓷多层基板标准化，预先制备， 从而缩短了混合多层基板的研制、开发周期。此外还可减少用户所承担 的基板开发费。 混合多层基板所构成的混合多芯片组件( m c m - c d ) 相对于其他几 种类型的m c m 具有最佳的性能价格比。 ( 3 ) 印制板一薄膜混合型 这是在标准的高密度多层印制板上利用薄膜工艺制作薄膜多层布线 构成的混合型多层布线基板。由这种基板所构成的多芯片组件称之为 m c m - l d 混合型多芯片组件。这种技术为兼顾, i c m 的密度、性能与成本、 成品率之间的关系提供了一种良好的途径。它是利用高密度薄膜布线作 电子科技大学论文 为信号线，可大大缩减信号延迟；在标准的高密度多层印制板内设置电 源线、接地线，使工艺实施较为容易。该技术越来越受到各大公司的重 视，是一种正在发展的混合多层基板技术。特别是要将m c m 技术进一步 在高级消费类电子产品中推广应用，m c m l d 将会有广泛的前景。 混合多层基板技术作为一种高级的多芯片组件一混合型多芯片组件所用的 关键技术得以迅速发展和应用。目前，为适应高密度、高速、大功率密度组件的 要求，混合多层基板进一步向埋置型混合多层基板( 包括埋置无源元件和i c ) 以及采用a i n 共烧多层陶瓷等高导热基板的混合多层基板技术发展。从应用方面 来看，除了继续在超级计算机领域广泛应用外，还进一步扩展应用到a t m 通信以 及小型高速信号处理系统和笔记本电脑，甚至采用混合多层基板构成三维多芯片 组件，用于更高速、更高密度的多功能电子系统，实现电子整机的系统集成。 2 1 3m c m 的优点 m c m 之所以受到各经济发达国家高度重视并千方百计加速发展，主要在与它 有一系列优点，既提高了密度，又缩短了芯片的互连间距，致使电路性能得以提 高。特别应当强调的是，采用m c m 技术可极大地缩短研制高难度集成电路的周期 和减少投资。如果我们把i c 、l s i 称之为集成电路，那么m c m 则可叫做电路集成。 m c m 的主要优点如下： ( 1 ) 由于m c m 采用的是高密度互连布线基板和裸芯片组装，有利于实现组件 或系统的高性能化、高速化。采用高密度互连基板技术，可使芯片之间 互连( 或距离) 大大缩短，也降低了连线电感和阻抗，因而能在提高组 装密度的同时，使信号的传输延迟明显减少，信号传输速度大大提高， 有利于实现电子整机向功能化集成方向发展。 ( 2 ) 实现了电子组装的高密度化、小型化和轻量化。扰m 采用多层布线基板， 将多个未封装的i c 芯片高密度安装在同一基板上，省去了单个i c 芯片 的封装材料和工艺，而且组装电路的体积、焊点数量、i o 数等均可大 为减小，不仅节约了原材料，简化了制造工艺，而且极大地缩小了体积， 减轻了重量，使组装效率可达8 0 9 0 ，同一功能的部件与s m i 相比， 重量可减轻9 0 9 6 。 ( 3 ) m c m 有利于提高电子产品的可靠性。由于m c m 是集l s i 、v l s i 、电容、电 阻等元器件于一体，避免了元件和器件级组装，简化了系统级的组装层 电子科技大学论文 次，不仅大大降低了最终产品的成本，而且提高了电子整机的可靠性。 ( 4 ) m c m 有利于实现高散热的封装。m c m 避免了单块i c 封装( s i n g l ec h i p p a c k a g e ：s c p ) 带来的热阻、引线及焊接等一系列问题，不仅使产品的 可靠性获得极大提高，而且有利于实现高效散热的封装设计。此外，在 m c m 中采用t a b 技术，还可以在组装前对芯片进行性能测试，提高m c m 的最终成品率。 2 2 微波m c m 传输线 在微波、毫米波电路中常用的平面传输线主要有微带( m i c r o s t r i pl i n e ) 、 带状线( s t r i pl i n e ) 、共面波导( c o p l a n a rw a v e g u i d e ) 、槽线( s l o t1 i n e ) ， 其结构如图2 7 所示。 。眦留蜘肌 图2 7 几种常用平面传输线 在平面电路中，对上述传输线的理论分析十分成熟，许多c a d 软件都包含了 上述平面传输线的模型。但是在m c m 应用中，传输线多处于多层介质环境中，因 此需要对传输线的传输特性重新进行分析计算，以便于针对m c m 应用进行建模建 库。在多层介质条件下，分析平面传输线可以采用电磁场全波数值分析方法，如 f d t d 、有限元法等；也可以采用准静态分析方法给出解析公式；还可以采用等效 电路法，即将传输线看作由电阻、电感和电容构成的网络，应用电路理论进行分 析。这里我们以薄膜微带传输线和多层介质中共面波导为例，分析其传输特性。 电子科技大学论文 ( 1 ) 薄膜微带传输线 薄膜微带线广泛应用于m c m - d 和混合类型m c m 中，本文对薄膜m c m 电路中微 带传输线的传输特性以及传输线间的耦合特性进行了研究。 一、薄膜m c m 电路中微带传输线的传输特性 以陶瓷基板上涂覆聚酰亚胺介质的微带传输线为研究对象，分两种情况来考 虑：一种是薄膜微带线处于陶瓷基板与聚酰亚胺之间( 简称下层) ，另一种是位 于聚酰亚胺之上( 简称上层) ，模型如图2 - 8 、2 - 9 所示( w 为薄膜微带线线宽， h 为聚酰亚胺膜厚) 。采用基于有限元法的三维电磁场全波分析软件a n s o f th f s s 进行分析计算。频率范围是3 o 3 5 g h z ，陶瓷基板介电常数r = 9 6 ，厚度 h = o 8 m m ，聚酰亚胺介电常数e r = 3 3 ，膜厚度h = 4 p m ，微带金属膜厚0 5 9 m 。 h h 图2 - 8 薄膜微带线( 下层)图2 - 9 薄膜微带线( 上层) 仿真过程中，保持聚酰亚胺膜厚h = 4 p j n 不变，改变传输线线宽w ( 变化范围： 0 4 1 2 m m ) ，传输线阻抗变化情况如图2 一1 0 、2 一1 1 所示；保持传输线线宽 w = o 8 m m 不变，改变聚酰亚胺厚度h ( 变化范围：2 一l o i x m ) ，传输线阻抗变化情况 如图2 1 2 、2 一1 3 所示。 ili l 十”2 5 w 2 k rr 了 xi l ；lk 、k i 、 _ n l i n l 枷h _ 口n m 图2 1 0 薄膜微带线阻抗变化( 上层) 臣嚣霾啦一 i 、 l 、 - - l ，、 c m 巾h * 4 t l h q h 哪 图2 1 1 薄膜微带线阻抗变化( 下层) 电子科技大学论文 一j 三菖翳卜 i 女目口 ；窖 h m w 图2 1 2 薄膜微带线阻抗变化( 上层) r m t 啪 图2 1 3 薄膜微带线阻抗变化( 下层) 从上图中的曲线可以看出，微带线在上层时，5 0 q 微带线线宽是0 8 1i l l m ； 微带线在下层时，5 0 q 微带线线宽是0 7 9m m 。未涂覆聚酰亚胺介质时，陶瓷基 板5 0 q 微带线线宽是0 8 m m 。可以看出涂覆介质前后，在3 0 3 5 g h z 频带范围 内5 0 q 微带线线宽变化很小。保持5 0 q 微带线线宽不变，当聚酰亚胺膜厚度由 2 p m 变化至1 0 岬时，在3 o 3 5 g h z 频带范围内微带线阻抗变化波动不大。 综合这两点，可以看至在厚度为0 8m i l l 的陶瓷基板上涂覆厚度2 - l o l a m 的聚 酰亚胺介质时，对原有微带线的传输特性影响不是很大。 二、薄膜m c m 电路中微带传输线间的耦合特性 对微带传输线间耦合特性的分析，分两种情况来考虑，一种是两传输线正交， 另一种是两传输线平行( 并处于同一垂直面内) ，如图2 - 1 4 、2 - 1 5 所示。 h w 图2 1 4 两传输线平行图2 1 5 两传输线正交 在h f s s 中计算模型如图2 1 6 、2 一1 7 所示，图中数字表示对应端口。 图2 1 6 两传输线平行模型图2 一1 7 两传输线正交模型 2 0 h 电子科技大学论文 睦 l 二二x 二：一j ”q w y m r q 】 图2 一1 8 两传输线平行仿真结果图2 1 9 两传输线正交仿真结果 从仿真结果图2 一1 8 、2 1 9 可以看出，两传输线平行( 并处于同一垂直面内) 时， 线间耦合较强，对应端口的反射系数和传输系数变差；两微带线正交时，传输线 间耦合十分严重，对应端口的反射系数和传输系数恶化。因此，在薄膜m c m 微带 线应用中，应尽量避免交叉和重叠布线，若交叉布线无法避免，则层间必须隔离 以保证传输线传输特性不受影响；当平行布线时( 不在同一垂直面内) ，线间距 离( 水平距离) 应大于3 倍微带线线宽，此时线间耦合低于- 2 7 d b ，传输线问的 耦合可以忽略不计。 ( 2 ) 多层介质中的共面波导 共面波导也是m c m 中常用的传输线形式，对于多层介质环境中的共面波导， 采用保角变换分析方法【1 8 】。共面波导结构示意图如图2 2 0 所示。 ：l a i r 图2 2 0 共面波导结构示意图 保角变换分析的理论基础要求传输线传播模式为t e m 波或准t e m 波( 准静 态) ，分析的有效频率范围可达i o o g h z 。根据准静态理论，传输线的有效介电常 数e r r ，相速度v 。特性阻抗z 。表达式为 电子科技大学论文 5 盯= 了c ( 2 - i ) l 0 。万 磊5 玄 ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 其中，c 为自由空间光速，c 为传输线电容，c 。为无介质存在时的传输线电容。 因此只需求出c 和c 。即可解得传输线的特性参数。在下面的分析中假设传输线无 限薄，介质层无限宽( 对于有限厚度和有限宽的情况，参见文献 1 8 ) 。由 1 8 3 ， c 。f c o + c 1 + c 2 + c 3 + c 4 + c 5 ( 2 - 4 ) 上式各电容构成图见图2 2 1 ( a ) 一( f ) ，下面分别计算， ( c ) h l x ( d ) 图2 2 1 各电容结构图 ( f ) 电子科技大学论文 1 计算电容c 。 参见图2 - 2 1 ( a ) ，c 。是共面