张学仁

(中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 050051)

随着现代电子技术的迅猛发展，电子产品向小型化、轻薄化、高性能、多功能方向发展，电路封装I/O数目不断增多，集成度越来越高，为适应这一技术发展的要求，包括晶圆级封装、3D封装、系统级封装（SIp）等先进高密度封装技术应运而生。其中SIp技术，已经被广泛应用于数字或低频电路中。它具有互连密度高、互连一致性好、互连间距小、组装占用面积小和生产成本低等突出优点。频率源作为电子系统中不可或缺的基本模块，被广泛应用于通信、雷达、电子对抗等领域。其中宽带频率源产生也同样面临小型化、薄型化以及高密度等挑战，传统基于射频电缆和连接器的方式已经难以满足集成要求。将SIp技术应用于宽带射频频率源设计当中，将为频率源高隔离、小型化、宽带传输提供一种重要的解决方案。本文通过采用SIp技术进行宽带射频互连设计和宽带频率源电路设计，研制出一款超宽带、低相噪、低杂散、小型化的频率源，验证了SIp技术在0.8～18GHz的频率范围内具有良好的宽带射频传输性能及信号隔离功能，实现数字、低频信号与射频信号混合垂直互连系统集成。

1. BGA宽带射频仿真设计

1.1 BGA射频互连仿真验证

BGA(ball grid array)球栅阵列技术是以锡球阵列取代引线框架的封装工艺。它的输入输出端口以圆形或柱状焊点按阵列形式分布在基板下面，具有引脚数量高、电气和物理特性良好、生产成本低的特点，尤其对于射频领域电磁兼容性能极其优异。在结构上，BGA主要由芯片、基板和锡球组成。

SIp频综系统中，BGA球的射频性能对信号传输具有至关重要的作用。本文通过图1所示的Z型对称结构模型研究BGA的宽带射频互连性能。在该模型中，传输路径包含一个BGA锡球、两段共面波导和一段基板内部的垂直互连。这种设计方法可减小信号在基板内的传输损耗，同时避免上下基板之间的串扰影响，以尽可能准确反映BGA本身的传输性能。

通过模型进行仿真，得到其仿真结果如下图2所示，其中图2为输出驻波曲线。由仿真结果可得，BGA射频互连在0.5～30GHz内同样能够实现优异的射频传输性能，其中S21优于-0.6dB，S11优于-15dB，输出驻波优于1.3，完全可以满足宽带射频系统的垂直互连需求。

1.2 BGA电磁兼容仿真验证

频率源中包含参考信号、数字控制信号、直流偏置信号和射频信号等多种类型信号，频率源电路布局设计时，将数字控制和电源处理电路分布在射频电路周围且与射频信号不交叉，减少对射频信号的干扰，此外，频率源内部的分频信号、参考信号通过锡球隔腔的方式屏蔽隔离，保证频率源的电磁兼容性能。

为了验证屏蔽腔对射频信号的屏蔽效果，利用仿真软件建立植球腔体模型，射频信号通过上层基板的垂直互连锡球馈入，测试输出带线的辐射串扰，其输入频率为0.5-30GHz。

仿真结果为在0.5-30GHz频率范围内，带线辐射到的串扰为-125dB以下，隔离效果极佳，其电磁场分布如图3所示，结果显示射频信号主要能量被限制互连锡球组成的腔体内。因此，通过锡球隔离，可以大大提高频率源的电磁兼容性能。

图3 隔腔屏蔽仿真结果

2. BGA宽带频综SIP设计与测试

2.1 宽带频综电路方案

频综系统中首先实现10～20GHz、10MHz步进单环锁相输出，主要由鉴相器、控制器、环路滤波器、分频器以及负阻VCO电路构成。负阻VCO的反馈信号通过鉴相器的N分频后与参考信号通过鉴相器R分频后进行鉴相，通过内部电荷泵输出鉴相后的Up和DOWN电流脉冲，通过环路滤波器积分后，输出稳定的直流电压用于调谐负阻VCO。基于负反馈的调节原理，最终将负阻VCO锁定在需要的频率上。

锁相环后经过通道分频、可控衰减、放大等处理，实现0.8-18GHz、10MHz步进频率输出。校准源通道首先通过两级1/2/4/8分频器，将频率扩展至0.8～18GHz。内部通过开关、数控衰减器、宽带放大器等关键芯片实现宽带频率源的输出功率，实现方案如图4所示。

图4 锁相源电路设计

2.2 宽带频综SIP

基于锁相环基本原理和仿真优化结果，本文设计出一款SIp封装形式频率范围覆盖0.8～18GHz宽带频综，外形尺寸为24*24*3.8mm，该宽带频综以锡球BGA输出方式实现射频、控制以及电源的联接，叠层焊接后的试验件实物如下图5所示。

图5 试验件实物图

3. 测试结果

针对宽带频综SIp，主要关注的指标为频综相位噪声、输出功率和不同频率间的串扰，图6为频综系统输出18GHz信号的相位噪声达到-88dBc/Hz@10kHz，满足设计目标。输出的信号功率波动如图7所示，从图中可以看出，在0.8～18GHz频率范围内，设计输出功率与测试输出功率损耗小于1.3dB， BGA射频传输方式可以满足宽带射频系统的垂直互连需求。

图6 18GHz信号相位噪声

图7 输出功率设计值与实测值对比图

图8 电磁兼容性能

对于宽带频综，分频信号和杂波信号的串扰是影响频综性能的重要因素，试验件内部包含固定分频器和控制电路，通过测试，分频抑制指标和杂波指标可达到-70dB，体现出BGA方式在满足系统小型化的同时，兼顾电磁兼容方面的性能，大大降低整机系统的设计难度。

4. 结语

本文从射频宽带频综小型化、多功能化应用需求出发，首先通过对基板BGA射频垂直互连进行建模仿真设计及BGA的电磁兼容性能进行设计验证，确保BGA在0.5～20GHz频率范围内能够具有优异的射频性能及信号屏蔽效果，通过实物试验件宽带频综SIp验证了这一结果。结果显示，BGA在垂直互连传输性能完全能够满足宽带射频系统需求，且其电磁兼容性能大大优于常规封装形式。其设计方法和结构形式对改变射频系统集成和互连形态，具有重要的指导和借鉴意义。