相控阵瓦片式T/R组件可靠性设计

摘  要 

射频微系统在雷达、通信、电子对抗等领域具有重要应用价值。随着射频前端向着小型化、高度集成化的方向发展，具有更高互连密度的 BGA（Ball Grid Array, 球栅阵列）、TSV（Through Silicon Via,  硅通孔）和 RDL（Redistribution Layers,  重布线层）等互连技术成为了射频微系统互连的主要工艺。射频微系统工作条件复杂，难以维修更换，同时由于高集成密度带来更大的单位面积热耗散，使得射频微系统互连结构的可靠性成为了射频微系统的关键技术之一，对加速射频微系统的工程化应用具有重要意义。然而目前射频微系统的可靠性研究仍然处于摸索阶段，因此本文针对射频微系统中的 BGA、TSV 和 RDL 等典型互连结构展开可靠性建模及其仿真研究，主要的工作内容有： 

（1）对 BGA 与 RDL 工艺组成的互连结构进行了可靠性研究。本文对 BGA以及 RDL 工艺组成的互连结构进行基板材料、焊球材料、焊球个数、焊球间距、焊球直径共五个维度的可靠性研究和探索。针对温度冲击和随机振动载荷分别采用 Darveaux 寿命预测模型和 Steinberg 三区间法进行 BGA 互连结构的寿命预测。仿真结果表明 SAC305 材料在随机振动以及温度冲击载荷中具有更长的寿命，而焊球的间距、直径和个数在随机振动和温度冲击载荷中均有不同影响，因此通过结构优化可有效提高可靠性，该结论为可靠性设计提供了重要参考。 

（2）对 TSV 与 RDL 工艺组成的互连结构进行了可靠性研究。重点研究 TSV硅转接板个数和信号孔位置对可靠性寿命的影响。针对铜填充的 TSV 采用了Multilinear  Isotropic  Hardening 多线性各向强化模型进行力学表征，然后采用基于塑性应变的 Coffin-Mason 寿命模型对 TSV 进行温度冲击载荷的寿命预测，最后采用 Steinberg 三区法和基于弹性应变的寿命预测模型对 TSV 的随机振动寿命进行预测。仿真结果表明使用双 TSV 转接板在两种载荷下具有更长的寿命。 

（3）基于以上可靠性分析方法，对采用 BGA 以及 RDL 工艺进行封装构成的X 波段四通道组件(2×2 阵列)进行可靠性优化设计。该组件通过 BGA 焊球以及 RDL工艺将四通道幅相多功能芯片以及功分器进行封装，封装尺寸为 15 mm×14.6 mm。仿真得到组件单通道发射输出功率大于 35 dBm，发射增益大于 26 dB，接收噪声系数小于 3 dB，接收增益大于 15 dB。提出了一种增加 BGA 接地焊球数量的方法提升可靠性，仿真结果表明可分别提高组件在温度冲击和随机振动载荷下寿命的 25 %和 31 %。 

关键词：  

可靠性，BGA，TSV，X 波段