Новости PCB - Соединение и упаковка микроволновых многокристальных модулей

Твердотельные активные фазированные антенные решетки миллиметрового диапазона (ммВт) широко используются в электронном оборудовании, таком как связь, радиолокация, навигация и т.д. Технология трехмерного соединения и упаковки является ключевой технологией при разработке многокристальных модулей миллиметрового диапазона СВЧ (MMW) для миниатюрных, высокоинтегрированных и высоконадежных активных фазированных антенных решеток. Благодаря разработке трехмерной многослойной конструкции для оптимизации тепловой схемы с несколькими кристаллами температура MMCM распределяется равномерно, что обеспечивает надежную работу трехмерного MMCM. Благодаря исследованиям и разработке многослойных печатных плат из низкотемпературной керамики совместного обжига (LTCC) с двусторонними высокоточными полостями, а также внедрению технологии вертикального соединения с помощью шариковой решетки (BGA) и шпильки миллиметрового диапазона (MMW) и технологии лазерной герметизирующей сварки, мы разработали миниатюрные, высокопроизводительные и высоконадежные трехмерные многокристальные модули СВЧ миллиметрового диапазона (MMW), которые могут соответствовать требованиям технологии фазированных антенных решеток нового поколения СВЧ миллиметрового диапазона (MMW). Требования.

Электронное оборудование развивается в направлении миниатюризации, легкости, конформности и многофункциональности, и в настоящее время используется все больше твердотельных систем с активными фазированными антенными решетками. Рабочая частота активной фазированной антенной решетки миллиметрового диапазона СВЧ, короткая длина волны, абсолютная ширина полосы пропускания, обеспечивает надежную идентификацию цели, высокое пространственное разрешение, малый угол обзора ISAR, быструю съемку, защиту от помех и другие научно-технические преимущества, более адаптируемую к самолетам, спутникам и другим небольшим платформам, установку и использование условия, и даже могут быть согласованы с перевозчиком, способствуют интеграции оборудования и платформенных приложений, в том числе специального оборудования, в воздушно-десантные системы., морские, бортовые и другие платформы Star имеют широкий спектр возможностей применения. Таким образом, они имеют широкий спектр возможностей применения в электронном оборудовании различных платформ, таких как бортовые, корабельные и звездные. Благодаря малогабаритности, малому весу, высокой степени интеграции, высокой надежности и низкой стоимости активных фазированных антенных решеток миллиметрового диапазона, используемых в микроволновой технике, технология трехмерного соединения и упаковки многокристальных модулей миллиметрового диапазона (MMCM) в качестве основного модуля становится все более востребованной в микроволновой технике. исследование технологии интеграции миллиметровых волн.

Длины волн микроволнового миллиметрового диапазона невелики, а форм-фактор MMCM более чувствителен, чем у низкочастотных многокристальных модулей, требования к тепловыделению более высокие, и плотность сборки также выше. Следовательно, необходимо изучить трехмерную оптимизацию тепловой компоновки многослойных чипов, высокоточное изготовление многослойных подложек из низкотемпературной керамики совместного обжига (LTCC), вертикальные соединения миллиметрового диапазона СВЧ-излучения, герметизацию и сварку модулей и другие трехмерные технологии. технологии соединения и упаковки, применимые к MMCMS, позволяют добиться миниатюризации MMCMS, высокой эффективности и низкой стоимости 

научные и технологические требования, а также соответствие требованиям MMCM к все более высокой точности сборки, все более компактному пространству и надежности. размер и более высокие требования к надежности.

Технология оптимизации тепловой компоновки многослойных микросхем в формате 1.3D

Удельная мощность и плотность сборки MMCM относительно высоки, и потребляемая во время работы мощность должна рассеиваться за счет выделения тепла. Если тепловыделяющая способность модуля плохая, рассеиваемая мощность приведет к повышению температуры активной области микросхемы. Согласно статистике, на тепловые сбои приходится 55% отказов MMCM, а частота отказов одной микроволновой интегральной схемы миллиметрового диапазона (MMIC) увеличивается в 1 раз на каждые 10°C повышения температуры соединения. Чтобы обеспечить высокую надежность, стабильную работу и длительный срок службы 3D MMCM, на основе внутренней структуры, размеров и данных 3D MMCM была создана тепловая аналоговая модель многослойных многокристальных микроволновых компонентов, а программное обеспечение для анализа методом конечных элементов ANSYS использовалось для аналогового сравнения распределения температуры в этой модели. модуль адаптирован к рабочей среде, а также для оптимизации тепловой схемы и улучшения его тепловых характеристик.

Схема трехмерного MMCM, сложенного в вертикальном направлении, выполнена в виде трех слоев, которые являются силовым слоем (нижний слой), общим слоем (средний слой) и управляющим слоем (верхний слой), как показано на рис. 1, на основе которого построена геометрическая модель трехмерного трехслойного MMCM, как показано на рис. 1. на рис. 2.

Рис. 2. 3D ММСМ

Распределение температуры при трехмерном тепловом моделировании MMCM после оптимизации тепловой схемы показано на рис. 3. Как видно из рисунка, после оптимизированной компоновки распределение температуры остается равномерным, а величина температурного шага соответственно уменьшается, что гарантирует надежную работу 3D MMCM в допустимом температурном диапазоне.

Рис. 3. Распределение параметров оптимизации температуры при трехмерном тепловом моделировании MMCM

2. Технология изготовления многослойной подложки с двусторонней полостью высокой точности LTCC

Многослойные подложки LTCC с высокоточными двусторонними полостями необходимы для создания высокоплотных соединений и упаковки 3D-MMCM. Для достижения этой цели на основе существующего процесса производства многослойных подложек LTCC с односторонними полостями мы преодолели технические трудности, связанные с процессами укладки, ламинирования и спекания двусторонних полостей. Процесс изготовления двустороннего резонатора и полученная высокоточная многослойная подложка LTCC с двусторонним резонатором показаны на рис. 4 и рис. 5 соответственно.

Fig. 5 LTCC Multilayer Circuit Substrate

В процессе двусторонней укладки керамических листов в полости необработанные керамические листы укладываются последовательно, соседние слои прижимаются друг к другу в процессе предварительного прессования, а после укладки на поверхностный слой укладывается полиэфирная пленка и лист нержавеющей стали. Вышеуказанные технологические меры обеспечивают более высокую точность выравнивания при укладке и сохранность поверхности. форма полости. В процессе ламинирования зародыш LTCC после укладки укрепляется с помощью процесса предварительного сжатия, чтобы избежать перемещения зародыша или его смещения, а наполнитель полости также улучшается по сравнению с предыдущими вставками за счет эластичного уплотнительного материала, что обеспечивает высокую точность двусторонней полости. В процессе спекания скорость обвязки и спекания снижается, что обеспечивает плоскостность и усадку многослойной подложки LTCC с односторонними полостями.

3.Вертикальное соединение цепей СВЧ и миллиметрового диапазона.

В MMCM ключом к формированию трехмерной структуры является реализация вертикальной взаимосвязи между микроволновыми цепями миллиметрового диапазона в каждой плоскости. В настоящее время основными технологическими методами для обеспечения вертикального соединения микроволновых цепей миллиметрового диапазона являются соединение в виде шариковой решетки (BGA) и соединение в виде кнопки-шпильки.

3.1 Технология соединения в BGA-пакетах

Соединение с пакетом BGA заключается в создании набора шариков припоя в нижней части печатной платы planar microwave миллиметрового диапазона в качестве конца ввода-вывода схемы для соединения с другими печатными платами planar microwave миллиметрового диапазона или основными печатными платами PCB.Соединение между корпусами BGA имеет следующие особенности.

1) Высокая плотность сборки, наименьший диаметр шарика составляет 0,2 мм, что позволяет подключать больше точек соединения в одной области.

2) Поверхность контакта между шариками припоя и подложкой большая и короткая, что способствует рассеиванию тепла.

3) Шариковый штифт для пайки массива очень короткий, что сокращает путь передачи сигнала, уменьшает индуктивность провода, сопротивление, улучшает характеристики цепи.

4) Обнаружение затруднено, только рентгеновское излучение может обнаружить эффект сварки.Таким образом, эта технология позволяет обеспечить высокую плотность и производительность вертикального соединения плоских микроволновых цепей миллиметрового диапазона волн.

На рис. 6 показано применение технологии BGA package к модулю LTCC миллиметрового диапазона волн. Инжир. На рис. 7 приведены результаты моделирования его S-параметра, которые показывают, что BGA package interconnect обладает хорошими характеристиками в качестве среды передачи микроволновых миллиметровых волн.

 Рис. 7. Технология упаковки BGA

3.2 Технология соединения плавных кнопок

Пушистая пуговица - это очень тонкая проволока, которая сжимается в эластичный цилиндр определенного диаметра и высоты через пресс-форму определенной формы. Когда на пушистую пуговицу оказывается давление по всей длине, она сжимается, а когда давление снимается, восстанавливается, как показано на рис. 8.

Рис. 8. Фотография типичной пуговицы для волос

Кнопка-шпилька имеет следующие особенности.

1) Небольшой размер конструкции, что способствует интеграции сигналов.

2) Хорошая производительность в микроволновой печи, широкая рабочая полоса пропускания до 40 ГГц.

3) Отсутствие контакта с пайкой, простота демонтажа, низкая стоимость.

4) Высокое сопротивление току, одноточечное сопротивление току 5А.

5) Антивибрационные и ударопрочные свойства, длительный срок службы.

Таким образом, технология вертикального соединения без пайки с использованием кнопочного разъема hairpin стала одной из важных технологий для 3D-упаковки высокой плотности. Инжир. На фиг. 9 показана трехмерная имитационная модель CST схемы межсоединений из ткани, в которой верхняя и нижняя цепи имеют структуру ленточного провода, а соединение сигналов СВЧ и миллиметрового диапазона достигается за счет структуры межсоединений из ткани в середине. Изготовленная кнопка имеет четырехпроводную конструкцию, при этом средняя кнопка передает радиочастотный сигнал, а окружающие три кнопки образуют структуру маски. Расстояние между тремя окружающими кнопками-шпильками и средней кнопкой-шпилькой, а также расстояние между средней кнопкой-шпилькой и полосой пропускания RF-слоя задаются в качестве параметров сканирования, и окончательные результаты моделирования кривой параметров сканирования показаны на рис. 10. Из рисунка видно, что "волосатая кнопка" хорошо зарекомендовала себя в качестве средства передачи микроволновых миллиметровых волн.

Рис. 9. Трехмерная имитационная модель CST соединения "волосатая кнопка"

Рис. 10. Результат моделирования S-параметра волосатой кнопки

Сравнивая и анализируя два вышеупомянутых новых вертикальных соединения, особенно при моделировании и анализе характеристик передачи в микроволновом диапазоне, можно отметить, что их соединительные структуры обладают хорошими характеристиками передачи в миллиметровом диапазоне микроволновых волн. Из-за практического применения, в дополнение к передаче микроволновых сигналов миллиметрового диапазона, необходимо также передавать большое количество сигналов управления и питания, часто связанных с несколькими точками соединения одновременно, поэтому в соответствии с фактическим использованием предпочтительно использовать вышеуказанное радиочастотное соединение для обеспечения эффективной передачи микроволновых сигналов миллиметрового диапазона, управляющих сигналов и сигналов питания.

Технология герметичной сварки 4.3D MMCM

Для обеспечения длительной и надежной работы 3D MMCM необходимо герметизировать и приваривать к металлическому корпусу, как показано на рисунке 11.

Figure 11 3D MMCM

Сварка 3D-уплотнения MMCM состоит из трех основных этапов.

1) Сварка между слоем накопления энергии и уплотнительным кольцом.

2) Сварка между радиочастотным разъемом power layer и опорной плитой; 3) Сварка между уплотнительным кольцом и опорной плитой power layer.

3) Сварка между уплотнительным кольцом и опорной плитой силового слоя.

Благодаря высокой плотности 3D MMCM при сварке уплотнительного кольца зона термического воздействия должна быть сведена к минимуму, чтобы избежать повреждения пластины и предыдущих сварных соединений, а высокая плотность энергии импульсной лазерной сварки является идеальным методом сварки, в то время как сварка между слоем накопителя энергии и уплотнительное кольцо, а также сварка между радиочастотными разъемами power layer и объединительной платой могут быть выполнены методом электродной сварки. Герметизирующая сварка импульсной лазерной сваркой швов обладает такими преимуществами, как высокая воздухонепроницаемость, высокая прочность соединения, малая площадь термического воздействия, малая термическая деформация, отсутствие механических напряжений и механических деформаций, отсутствие загрязнения сварных соединений и высокая производительность, что соответствует требованиям, предъявляемым к герметизирующей сварке уплотнительных колец трехмерного типа. ММСМ и опорная плита силового слоя.

Внешняя оболочка 3D MMCM и защитная пластина сварены лазерной сваркой в виде непрерывного плотного сварного шва для достижения требований к герметичности уплотнения, поэтому необходимо изучить факторы, влияющие на качество герметичного сварного шва, включая свариваемость свариваемых базовых материалов, конструктивное исполнение сварных соединений, покрытие и т.д.загрязнения при сварке, внутренние напряжения в материалах, параметры процесса лазерной сварки, способ сварки (последовательность сварки и конструкция креплений) и т.д., и, наконец, найдите подходящее уплотнение для лазерной сварки.Конечным результатом является оптимальный процесс уплотнения при лазерной сварке.Поскольку в процессе лазерной герметизирующей сварки сварочный материал не добавляется, а основной материал накладки и корпуса непосредственно расплавляется для формирования сварочной ванны, структура сварного шва накладки и корпуса и зазор между ними очень важны.Поэтому структура сварного шва и зазор между крышкой и корпусом очень важны. При неправильной конструкции или большом зазоре в сварном шве могут образоваться неплавящиеся дефекты. На рис.12 представлена оптимизированная структура сварного шва для 3D-ММСМ-уплотнения.

Fig.12  3D MMCM

Благодаря оптимизации основных параметров сварочного процесса, таких как максимальная мощность лазера, скорость сварки, частота следования импульсов, длительность импульса и степень расфокусировки, лазерные сварные швы были выполнены плотными и однородными, с эстетичным внешним видом (как показано на рис. 13) и без дефектов сварки, что подтвердило их соответствие требованиям. анализ показателей герметичности модуля после проверки мелких утечек методом гелиевой масс-спектрометрии и крупных утечек тестером на утечку фторсодержащего масла.

Рис. 13 лазер (заимствованное слово)

Технология трехмерного соединения и упаковки является ключевой технологией для разработки миниатюрных, высокоинтегрированных и надежных сердечников активных фазированных антенных решеток миллиметрового диапазона MMCM.Благодаря разработке 3D-дизайна для оптимизации тепловой компоновки многослойных микросхем с несколькими кристаллами, распределение температуры в MMCM равномерное, а величина резкого изменения температуры снижена, что эффективно решает проблему эффективного отвода тепла в 3D MMCM и гарантирует надежную работу 3D MMCM в допустимом температурном диапазоне.На этой основе разрабатываются LTCC-подложки с высокоточными двусторонними полостями, а также технологии трехмерного соединения и упаковки, такие как BGA-матрица, технология вертикального соединения с помощью микроволновой шпильки миллиметрового диапазона и технология лазерной герметизирующей пайки, которые используются для создания миниатюрных устройств., высокопроизводительные и высоконадежные трехмерные MMCMS, которые отвечают требованиям, предъявляемым к активным фазированным антенным решеткам нового поколения миллиметрового диапазона СВЧ-диапазона.