多層陶瓷封裝外殼的微波設計

摘要：隨著微電子器件的發展，集成度越來越高，不斷向高頻、高功率應用邁進，對其封裝技術的發展也提出了更高的要求。本文以一個場效應管封裝外殼的微波設計為例，探討了微波三維結構仿真技術在封裝外殼設計上的應用，證明對封裝外殼進行合理的微波設計，可以有效地提高器件的微波性能。

1 前言

當今世界科技的發展日新月異，在信息化進程中微電子技術一直起著先導和核心作用，隨著全球信息化、網絡化時代的到來，微電子技術在國民經濟中的地位也顯得越來越重要。微電子封裝為微電子系統提供機械支撐、電氣互連、散熱通道、電磁屏蔽、環境保護等功能，電子系統的可靠性、成本及優良的電氣性能不僅僅依賴于電路設計，在很大程度上還取決于所采用的封裝設計與材料。因此微電子封裝成為IC產品發展進步不可或缺的后端產品。

2 應用實例

本文試圖是一個微波功率管封裝外殼的設計中探討微波仿真技術在封裝外殼設計上的應用。眾所周知，封裝外殼制約著微波彈片電路性能的因素主要有輸入輸出端的阻抗、插入損耗、駐波比以及隔離度。圖1是某場效應管封裝外殼的外形圖。由圖可知該外殼有兩個引出端。若該封裝外殼鍵合芯片斌桿狀到系統中，那么對于其中一個引出端的電路示意圖如圖2。

為使信號源和負載間有地反射傳輸，需要恰當設計中間的阻抗匹配網絡。圖中ZO 為負載（單片）的阻抗，Zg為信號源（輸入功率）的阻抗。無耗阻抗匹配網絡（微帶線結構）節欲信號源和負載之間，于是無耗匹配網絡與負載間的反射系數為：

信號能夠接近全傳輸，即ZO =Zout。但是一般阻抗匹配網絡都是由損耗的，因此匹配網絡的插入損耗也就是微波信號在匹配網絡中傳輸時損失的部分，通過

反射也就是受反射系數的影響。由此可見，為滿足期間對封裝外殼的要求，我們在外殼設計時必須考慮通過設計外殼微帶線使其特性阻抗等于彈片的特性阻抗Zo，從而達到阻抗匹配之目的，以保證封裝外殼上插入損耗最小，駐波比最低。

一般而言微波器件微火的阻后的增益和輸出功率一般都利用電路匹配把阻抗專為標準的50Ω。如上所訴，在微波傳輸系統中，如果傳輸網絡與信號源、負載不匹配，傳輸線上的駐波就會增加信號的反射，當期間工作在高頻時，插入損耗將非常大。因此為保證整個電路的阻抗匹配，在設計封裝外殼是應該使其引出端特性阻抗為50Ω，目前封裝外殼的制造中引出端的微帶線通常是以高溫陶瓷共燒工藝在Al2O3 基板上實現的，因此只要知道微帶線德的工作頻率就可以計算出微帶線的粗略尺寸。

該封裝外殼的微帶線設計上存在從封建裝外殼外部的陰險旱區過渡到內部的金線鍵合區的微帶-帶線-微帶過度結構，這樣的一個過度結構必然帶來微波傳輸的不均勻性，由于微帶屬于分布參數電路，其尺寸可與其工作波長相比擬，因此微帶線不均勻性必然會給電路帶來影響，從等效電路來看向但與串聯或并聯一些電抗遠見，或是微波網絡的參考面發生變化。在該外殼的過度結構中為使阻抗匹配，待顯赫微帶的寬度是不一樣的，按照經驗一般這種過度結構都采用"啞鈴"狀機構。這樣就存在微帶線寬度上的跳變，從場的角度來說該處的場分布將發生畸變，從而導致過剩電荷在微帶線寬度國初流動，造成能量輻射損耗，增大了插入損耗和駐波比。其等效電路如圖3。

圖3中的X和1的計算公式如下。

為了得到滿足微波傳輸要求的封裝外殼設計，使用HFSS來見了該封裝外殼的微波傳輸模型。通過對模型進行仿真來獲得端口阻抗、插入損耗以及駐波比的數據。并在此基礎上對微帶線過度結構不斷優化，最終獲得了滿足性能要求的設計。首先算出微帶線尺寸數據進行建模，得到粗略的模型如圖4。

把建立的模型賦予材質和邊界條件后，設定仿真條件后就可以求解。通過求解可以得到該結構的阻抗矩陣，插入損耗以及駐波比。經過仿真可以看到該模型得端口阻抗如表1。

得到的端口阻抗接近于50Ω，但插入耗損以及駐波比的數值比較大，如圖5，尚需要優化。

觀察電磁場在該結構模型中的分布可以發現：在微帶線的過渡出電場強度較大，且分布很不均勻。過剩的電荷在此處集中，導致能量輻射損失，造成插損和駐波比偏大，符合上述的理論分析。電場分布圖如圖6。

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根據第一次仿真的結構進行分析，使用SPACEMAPPING的方法在HFSS里對該結構進行優化。

a. 第一次優化后的模型如圖7，結果也不是很理想，駐波比仍然偏大。
b. 在此優化后確定模型結構、尺寸如圖8。

再次設置材質和邊界，進行仿真。得到的端口阻抗數據如表2。

特性阻抗情況比前幾次有所改善，插入損耗以及駐波比如圖9。

這次模型仿真結構比較理想，在X波段端口阻抗為48.3Ω，相位變化為-0.05°，基本上達到了阻抗匹配的目的；在其間工作頻率下，插入損耗<1.05，可以滿足期間的工作要求。在此觀察電磁場在此結構中的分布（圖10）。

電場過渡比較均勻，無突變區域，無明顯電荷集中區域，因而整個結構的插入損耗以及駐波比都比較理想。

3 結論

隨著微波器件的不斷發展，對其封裝外殼的電性能提出可越來越高的要求。采用微波結構模擬軟件進行封裝設計可以提高期間性能、縮短封裝設計周期。

封裝外殼的加工工藝對其微波特性影響較大，特別是基板的平整度和金屬化圖形的尺寸精度在高頻下會極大地影響插入損耗。