CN110931452A - 一种射频直流旋转对称正反复用型菊花链结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种射频直流旋转对称正反复用型菊花链结构，包括作为上板的基板A和作为下载板的基板B，两个基板通过BGA垂直互连；基板A、B均包括奇数层金属层，基板之间信号连接为：射频通道和直流通道分别相间布局，与各自的对比通道之间成180°旋转对称，每个通道均由多段互连结构，基板A、B通过BGA倒装互连后，通道上串连多个BGA，形成完整菊花链传输结构，基于TDR、VNA等检测手段，可实现对BGA垂直互连可靠性分析；射频通道走线采用类同轴带状线结构，射频通道之间为直流通道，直流通道采用折线型布局方式，因此保证了射频通道侧面参考地连接的完整性，避免通道间的强相互干扰，保证了射频通道的高频传输性能。

Description

一种射频直流旋转对称正反复用型菊花链结构
技术领域
本发明属于射频BGA垂直互连可靠性技术领域，尤其涉及的是一种射频直流旋转对称正反复用型菊花链结构。
背景技术
射频BGA（焊球阵列封装）垂直互连是目前广泛应用于雷达与通信等电子系统高密度集成化设计中，其带来的高度集成化、小型化、高性能为系统的进一步集成，向着3D系统级封装（3D-SiP）奠定重要的基础。因此为了提高此类BGA垂直互连在射频系统中工艺可靠性，提出了一种射频直流旋转对称正反复用型菊花链结构，来研究射频应用中对BGA垂直互连工艺可靠性的更高要求。
目前针对BGA垂直互连可靠性的研究还主要在为直流与数字电路方面，对射频应用中的还比较少。
在直流与数字方面，针对BGA垂直互连的可靠性研究设计的实验结构，主要是采用是回形走线、单线引出的方式实现的，结构具有高度的对称对比性，能较好的实现对BGA互连特性在直流与数字传输影响的检测，如TDR测试，在线检测BGA垂直互连的缺陷位置及对传输性能的影响。但是随着SiP（系统级封装）的发展，BGA垂直互连在射频系统中的应用越来越广泛，BGA垂直互连可靠性研究中原有的实验验证结构无法满足射频信号传输研究，急需设计一款适用于直流及射频的复合型实验样品来研究BGA垂直互连在射频传输中可靠性的影响，为SiP技术的发展提供重要支撑。
发明内容
为了克服背景技术中的技术缺陷，研究BGA垂直互连在射频应用中的可靠性，为SiP等高密度集成技术在电子系统中的进一步应用提供支撑，本发明提供了一种射频直流旋转对称正反复用型菊花链结构为BGA垂直互连可靠性的研究提供实验验证样品设计方案，该结构利用多层陶瓷技术，采用类同轴与带状线结构，设计了适用于射频传输的互连结构，通过旋转对称布局设计，可实现同状态下的高度对比检测，有利于开展对BGA垂直互连缺陷对射频传输影响结果测试误差的修正，提高其可靠性研究的准确度该结构具有直流、射频共存、结构旋转对称、正反面复用设计的特点，实验性强且成本低。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种射频直流旋转对称正反复用型菊花链结构，其特征在于：包括作为上板的基板A和作为下载板的基板B，基板A和基板B通过BGA垂直互连，基板A和基板B之间为焊球；基板A和基板B均包括M-1层介质，按照从上至下的顺序均依次包括金属层L1—LM，M≥3，且M为奇数；所述基板A和基板B之间内部的信号连接关系为：N个射频通道和N个完全相同的射频成180°旋转对称的对比通道，每个射频通道由多个BGA_Pad->Via->SL->Via->BGA_Pad互连结构构成，通过基板A、基板B倒装形成完整的射频通道，射频通道上串连多个BGA，所述射频通道走线采用类同轴带状线结构；射频通道之间为直流通道，N+1个直流通道和N+1个完全相同的直流成180°旋转对称的对比通道，每个通道由多个BGA_Pad->Via->SL->Via->BGA_Pad互连结构构成，通过基板A、基板B倒装形成完整的射频通道，直流通道上串连多个BGA，直流通道采用折线型布局方式，保证射频通道垂直参考地的完整性。
基板A和基板B之间的金属图形用于承担BGA垂直互连与信号导出检测；在所述基板A和基板B之间的金属图形的BGA装配区包括有金属化焊盘、阻焊区，所述金属化焊盘、阻焊区与BGA的大小、装配工艺需求相匹配；所述信号导出为CPWG结构，可用于探针测试平台。
在平面上，射频、直流通道有完全相同的对比通道，整体成180°旋转对称，因此实现高相似度的对比验证。
当基板A与基板B分别朝上装配，则基板A的最底层金属层LM与基板B的最上层金属层L1对应互连。当基板A与基板B分别朝下装配，则基板A的最上层金属层L1与基板B的最底层金属层LM对应互连。通过正反复用的方式，在同一基板上实现研究BGA间距对垂直互连可靠性的影响研究。
所述金属层L1—LM中，第L1- 第L（M+1）/2层为正面金属层，第L（M+1）/2层-第M+1为背面金属层，其中位于中间层的金属层L（M+1）/2层作为射频参考地边界，将基板的正反面不同设计结构隔离开。
所述射频直流旋转对称正反复用型菊花链结构的整个结构基于HTCC基板实现加工。
本发明的有益效果如下：
1、本发明在射频走线上，内层射频通道利用类同轴带状线结构，替代现有广泛使用的带状线结构，传输损耗更小、带宽宽、防干扰能力更强，而现有BGA的可靠性研究中为单线走线，仅适用于在直流或数字领域的研究。
2、本发明的内层直流通道采用折线走线，在高度利用走线空间的同时，保证了射频通道侧壁参考地边界的完整性，既实现了直流射频并行走线且不相互干扰，而现有的技术中仅为直流或者数字通道。
3、本发明采用旋转对称布局，射频错位布局，具有高度的对比实验参考性，利于作为加速实验的在线检测等可靠性研究。
附图说明
图1（a）为实施例1中的内部互连侧视示意图。
图1（b）为图1（a）的正向装配侧视示意图。
图1（c）为相对于图1（a）的反向装配侧视示意图。
图2（a）为对应图1（b）的正向装配的三维结构示意图。
图2（b）为对应图1（b）的正向装配的三维结构分布示意图。
图2（c）为对应图1（b）的内部互连结构示意图。
图3（a）为实施例1中基板A（左）、基板B（右）第一层金属图形示意图。
图3（b）为实施例1中基板A（左）、基板B（右）第二层金属图形示意图。
图3（c）为实施例1中基板A（左）、基板B（右）第三层金属图形示意图。
图3（d）为实施例1中基板A（左）、基板B（右）第四层金属图形示意图。
图3（e）为实施例1中基板A（左）、基板B（右）第五层金属图形示意图。
图3（f）为实施例1中基板A（左）、基板B（右）第六层金属图形示意图。
图3（g）为实施例1中基板A（左）、基板B（右）第七层金属图形示意图。
图3（h）为实施例1中基板A（左）、基板B（右）第八层金属图形示意图。
图3（i）为实施例1中基板A（左）、基板B（右）第九层金属图形示意图。
图4为实施例1中的正向装配下射频通道的传输特性示意图。
具体实施方式
一种射频直流旋转对称正反复用型菊花链结构，包括作为上板的基板A和作为下载板的基板B，基板A和基板B通过BGA垂直互连，基板A和基板B之间为焊球；基板A和基板B均包括M-1层介质，按照从上至下的顺序均依次包括金属层L1—LM，M≥3，且M为奇数；所述基板A和基板B之间内部的信号连接关系为：N个射频通道和N个完全相同的射频成180°旋转对称的对比通道，每个射频通道由多个BGA_Pad->Via->SL->Via->BGA_Pad互连结构构成，通过基板A、基板B倒装形成完整的射频通道，射频通道上串连多个BGA，所述射频通道走线采用类同轴带状线结构；射频通道之间为直流通道，N+1个直流通道和N+1个完全相同的直流成180°旋转对称的对比通道，每个通道由多个BGA_Pad->Via->SL->Via->BGA_Pad互连结构构成，通过基板A、基板B倒装形成完整的射频通道，直流通道上串连多个BGA，直流通道采用折线型布局方式，保证射频通道垂直参考地的完整性。
基板A和基板B之间的金属图形用于承担BGA垂直互连与信号导出检测；在所述基板A和基板B之间的金属图形的BGA装配区包括有金属化焊盘、阻焊区，所述金属化焊盘、阻焊区与BGA的大小、装配工艺需求相匹配；所述信号导出为CPWG结构，可用于探针测试平台。
当基板A与基板B分别朝上装配，则基板A的最底层金属层LM与基板B的最上层金属层L1对应互连。
当基板A与基板B分别朝下装配，则基板A的最上层金属层L1与基板B的最底层金属层LM对应互连。
实施例1
基于上述基础设计，如图1（a）所示，本实施例中的基板A和基板B通过BGA垂直互连而成。其中基板A的尺寸为23mm*23mm，作为上板，基板B的尺寸为41mm*41mm，作为下载板。基板A和基板B包括八层介质，分别包括金属层L1-L9。两种基板根据实验对比要求，根据BGA间距的不同（1mm与0.8mm），分别在的正面四层介质（金属层L1—L5）与背面四层介质（金属层L5—L9）进行设计，从而实现了两套不同对应关系而装配形成的样品。
当基板A与基板B分别朝上装配，如图1（b）所示，即基板A的L9与基板B的L1对应互连，其中BGA间距0.8mm；当基板A与基板B分别朝下装配，如图1（c）所示，即基板A的L1与基板B的L9对应互连，其中BGA间距1mm，焊球为SnAgCu焊球。整个设计基于HTCC基板实现加工，其中HTCC为黑色B210氧化铝（Al2O3），介电常数9.8、每层基板厚度为0.25mm，金属材料为钨浆料，八层介质9层金属高温烧结而成，基板厚度2mm。
如果按照如图1（b）方式装配后，其三维结构示意图如图2（a）所示，详细示意如图（b）所示。在这种状态下，其内部的信号连接关系如图2（c）所示，射频通道A1、B1、C1以及其对比通道A2、B2、C2，通过多段互连，一个射频通道上串连10个BGA。射频通道间为直流通道，采用折线型布局。
基于如图2（a）所示的三维结构，其中：
第1与9层金属图形设计，如图3（a）与（i）所示，承担BGA垂直互连与信号导出检测的功能，在BGA装配区，拥有金属化焊盘、阻焊区等结构，与BGA的大小及装配工艺需求相匹配。BGA直径为0.5mm，其相对应的金属pad直径为0.65mm，阻焊盘直径为0.5mm；信号导出为CPWG结构，可用于探针测试平台。
第2与8层金属图形设计，如图3（b）与（h）所示，主要为直流通道走线，采用折线形的走线结构，既实现了多个BGA串连，又确保了射频通道接地边界三温完整性通孔。
第3与7层金属图形设计，如图3（c）与（g）所示，为射频通道走线，采用类同轴带状线结构，实现射频信号传输。
第4与6层金属图形设计，如图3（d）与（f）所示，无信号布线，仅通孔连接的pad，保证通孔连接的完整性。
第5层金属图形设计，如图3（e）所示，为大面积地，作为射频参考地边界，并将基板正反面不同设计结构彻底隔离开来，在实现正反面复用的同时，避免相互干扰，为样品的进一步多层堆叠装配提供了支持。
本实施例按照如图2（a）的装配后，对射频通道A1、B1、C1以及其对比通道A2、B2、C2进行模拟仿真，仿真结果如图4所示，在0—8GHz范围，其损耗呈下降趋势，总体来看，三个通道的传输损耗A>B>C，与三个通道的长度呈正相关，吻合较好。
因此可以看出，本发明采用HTCC多层陶瓷工艺，实现了射频全通道类同轴互连，通过旋转对称设计实现高度对比，通过不同射频通道布局位置的不同以及BGA间距的不同，实现对同种状态下BGA的位置及间距在可靠性上对射频传输的影响。本发明具有高度的对比验证的功能，既保证了实验验证的单一因素的需求，又实现了多功能低成本，利于进行各类加速实验来研究BGA互连在射频应用中的可靠性问题。

Claims (7)

1.一种射频直流旋转对称正反复用型菊花链结构，其特征在于：包括作为上板的基板A和作为下载板的基板B，基板A和基板B通过BGA垂直互连，基板A和基板B之间为焊球；基板A和基板B均包括M-1层介质，按照从上至下的顺序均依次包括金属层L1—LM，M≥3，且M为奇数；所述基板A和基板B之间内部的信号连接关系为：N个射频通道和N个完全相同的射频成180°旋转对称的对比通道，每个射频通道由多个BGA_Pad->Via->SL->Via->BGA_Pad互连结构构成，通过基板A、基板B倒装形成完整的射频通道，射频通道上串连多个BGA，所述射频通道走线采用类同轴带状线结构；射频通道之间为直流 通道，N+1个直流通道和N+1个完全相同的直流成180°旋转对称的对比通道，每个通道由多个BGA_Pad->Via->SL->Via->BGA_Pad互连结构构成，通过基板A、基板B倒装形成完整的射频通道，直流通道上串连多个BGA，直流通道采用折线型布局方式。
2.根据权利要求1所述的射频直流旋转对称正反复用型菊花链结构，其特征在于：基板A和基板B之间的金属图形用于承担BGA垂直互连与信号导出检测；在所述基板A和基板B之间的金属图形的BGA装配区包括有金属化焊盘、阻焊区，所述金属化焊盘、阻焊区与BGA的大小、装配工艺需求相匹配；所述信号导出为CPWG结构。
3.根据权利要求1所述的射频直流旋转对称正反复用型菊花链结构，其特征在于：在平面上，射频、直流通道有完全相同的对比通道，整体成180°旋转对称，实现高相似度的对比验证。
4.根据权利要求1或2所述的射频直流旋转对称正反复用型菊花链结构，其特征在于：当基板A与基板B分别朝上装配，则基板A的最底层金属层LM与基板B的最上层金属层L1对应互连。
5.根据权利要求1或2所述的射频直流旋转对称正反复用型菊花链结构，其特征在于：当基板A与基板B分别朝下装配，则基板A的最上层金属层L1与基板B的最底层金属层LM对应互连。
6.根据权利要求1所述的射频直流旋转对称正反复用型菊花链结构，其特征在于：所述金属层L1—LM中，第L1- 第L（M+1）/2层为正面金属层，第L（M+1）/2层-第M+1为背面金属层，其中位于中间层的金属层L（M+1）/2层作为射频参考地边界，将基板的正反面不同设计结构隔离开。
7.根据权利要求1所述的射频直流旋转对称正反复用型菊花链结构，其特征在于：整个射频直流旋转对称正反复用型菊花链结构基于HTCC基板实现加工。
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