2.2
CPWG-SL-CPWG过孔互连结构的设计与实现

多层LCP技术具有低损耗、耐高温等优异特性，为生产具有高性能的三维集成微波、毫米波组件和系统级封装提供了一种经济高效的方法。在多层LCP电路板中，信号通常会从一种传输线过渡到另一种传输线上，实现不同传输线的连接。最常见的就是垂直过渡结构，它可以分为两类：一类是耦合过渡，另一类是过孔过渡。前者通过电磁场耦合实现，带宽相对较小，体积较大，而后者由金属过孔连接实现，具有结构紧凑、宽频带、低插损的优点，被广泛应用在三维集成电路中 ^[18] 。但垂直过渡结构容易出现信号串扰问题，因此，设计高性能毫米波过孔互连结构是一项具有挑战性的任务。

本节采用多层LCP基板设计并制作了一款接地共面波导-带状线-接地共面波导（Coplanar Waveguide with Grounded to Stripline to Coplanar Waveguide with Grounded，CPWG-SL-CPWG）过孔互连结构。通过搭建互连结构的三维电磁模型，研究过孔结构的物理参数变化对传输特性的影响，采用三维高频电磁仿真（High Frequency Simulator Structure，HFSS）软件对过孔互连结构进行仿真设计。为了提高信号的传输特性，在过孔互连结构中添加了电磁屏蔽通孔，以最大限度地减少相邻电路元件之间不必要的信号串扰，抑制寄生效应带来的功率泄漏问题，而且可以有效控制阻抗突变。

2.2.1　过孔互连结构的基本模型

在高频信号传输过程中，过孔和传输线之间的不连续性会带来诸多问题。因此，在对过孔互连结构进行设计之前，需要确定过孔与传输线之间的连接方式，常见的连接方式如图2.5所示。

在HFSS软件中分别建立3种连接方式的结构模型并进行仿真求解，仿真结果如图2.6所示。从图2.6中可以看出，方式三的回波损耗（ S ₁₁ ）最小，传输特性最佳，方式一的传输特性则略差。但在过孔结构实际加工中，方式二和方式三容易造成传输线与过孔之间开路，引起信号反射。方式一在传输线与过孔之间增加了一个金属焊盘，尽管对传输特性产生了一定的负面影响，但这种影响并不明显。同时，焊盘的存在能够提高整个互连结构的可靠性，因此本课题选取方式一。

在微波、毫米波多层电路中，带状线（Stripline，SL）和接地共面波导（Coplanar Waveguide with Grounded，CPWG）是应用十分广泛的微波信号传输线，它们在高频情况下均具有良好的电磁屏蔽性能和较低的损耗。前者频带宽、抗干扰能力强，适用于高效紧凑的电路结构；后者的特性阻抗易于调节，设计灵活性高，对邻道信号具有较好的隔离度 ^[19] 。为了在多层LCP电路板中实现不同层元器件与传输线之间的有效互连，本节将基于4层LCP基板设计一款CPWG-SL-CPWG过孔互连结构，利用先进设计系统（Advanced Design System，ADS）软件中的插件工具，计算得到50 Ω特征阻抗SL和CPWG的结构尺寸，建立图2.7所示的过孔互连结构三维立体模型。该结构由2块双面覆铜和1块单面覆铜LCP基板压合而成，共包含4层金属板（Metal ₁ 、Metal ₂ 、Metal ₃ 、Metal ₄ ）和3层LCP基板（LCP ₁ 、LCP ₂ 、LCP ₃ ）。Metal ₁ 和Metal ₂ 共同构成CPWG，其金属导带宽度为0.11 mm，长度为1 mm，两侧缝隙宽度均为0.1 mm；SL位于Metal ₃ ，其金属导带宽度为0.06 mm，长度为2 mm。CPWG与SL之间由1～3层的金属盲孔连接。

2.2.2　过孔互连结构的仿真设计

为了提高过孔互连结构的传输特性，必须对其结构参数进行优化。在基于4层LCP基板的毫米波电路中，当高频信号从CPWG流经过孔时，过孔互连结构的不连续性会导致阻抗失配，由此产生的寄生效应会在一定程度上影响微波传输特性。为了尽可能减小寄生效应的影响，应该采用适当尺寸的盲孔、焊盘及反焊盘。由于在实际工艺中，多层LCP电路板的叠层结构是固定不变的，即过孔的长度是固定的。因此，在设计过孔互连结构时，只需从过孔半径、焊盘及反焊盘半径3个方面进行分析。本节通过对过孔互连结构的3个关键结构参数进行建模仿真，得到使过孔互连结构传输特性最佳的变量取值。

（1）过孔半径对传输特性的影响。

在HFSS软件中建立图2.7所示的过孔互连结构三维立体模型，进行过孔半径变量分析。保持其他参数不变，取过孔半径 R _via 分别为0.06 mm、0.07 mm、0.08 mm，得到图2.8所示的仿真结果。

从图2.8中可以看出，在低频情况下，过孔半径对 S ₁₁ 的影响较小，但随着频率的增大， S ₁₁ 随着过孔半径的增大逐渐变大，即过孔半径越大，信号在高频处产生的反射越明显，过孔互连结构的微波传输特性越差。由此可知，半径较小的过孔有利于改善过孔互连结构的传输特性。但过孔半径越小，对加工工艺水平的要求越高，成本就越高。结合多层LCP工艺水平的实际情况，拟选择半径为0.07 mm的过孔进行过孔互连结构的设计。

（2）焊盘半径对传输特性的影响。

在HFSS软件中建立图2.7所示的过孔互连结构三维立体模型，进行焊盘变量分析。保持其他参数不变，选取过孔半径 R _via 为0.07 mm。取焊盘半径 R _p 分别为0.16 mm、0.17 mm、0.18 mm，得到图2.9所示的仿真结果。

从图2.9中可以看出， S ₁₁ 随着焊盘半径和频率的增大逐渐增大，即焊盘半径越大，过孔互连结构在高频处的传输特性越差。这是因为焊盘半径越大，其产生的寄生电容就越大。在低频情况下，寄生效应带来的影响并不明显，而随着频率的增大，寄生效应越发显著，对过孔互连结构性能产生的影响就越严重。焊盘半径越大，所造成的阻抗不连续性越明显，微波传输特性越差。所以，选择半径较小的焊盘可以有效抑制过孔互连结构的电磁波散射。在多层LCP电路板中，半径较大的焊盘能够提高过孔互连结构的稳定性，防止传输线与过孔之间出现开路状态，而半径较小的焊盘可以改善过孔互连结构的传输特性。因此，应当在确保电路可靠的前提下，优先选择半径更小的焊盘。结合多层LCP过孔焊盘半径工艺规范，即焊盘与过孔的最小间距为0.1 mm，拟选择半径为0.17 mm的焊盘进行过孔互连结构的设计。

（3）反焊盘半径对传输特性的影响。

在HFSS软件中建立图2.7所示的过孔互连结构三维立体模型，进行反焊盘变量分析。保持其他参数不变，选取过孔半径 R _via 为0.07 mm，焊盘半径 R _p 为0.17 mm。取反焊盘半径 R _ap 分别为0.24 mm、0.26 mm、0.28 mm，得到图2.10所示的仿真结果。

从图2.10中可以看出，在低频情况下，随着反焊盘半径的增大， S ₁₁ 逐渐减小，即信号的传输特性越好。原因是过孔互连结构的寄生电容与反焊盘半径成反比，半径较大的反焊盘可以有效改善过孔互连结构的微波传输特性。而在高频情况下， S ₁₁ 随着反焊盘半径的增大逐渐增大，传输特性变差。原因是随着反焊盘半径的增大，CPWG和SL的接地面结构受到破坏，随着频率的增大，接地面结构被破坏带来的负面影响越来越明显，从而导致过孔互连结构的传输特性恶化。因此，在进行过孔互连结构设计时，应当选取半径为0.26 mm的反焊盘，此时过孔互连结构的传输特性最佳。

通过研究过孔互连结构的过孔半径、焊盘半径及反焊盘半径对微波传输特性的影响，得到使过孔互连结构传输特性最佳的物理参数，将过孔互连结构的过孔半径设置为0.07 mm，焊盘半径设置为0.17 mm，反焊盘半径设置为0.26 mm。在HFSS软件中搭建过孔互连结构三维立体模型，对其在0.1～40 GHz频率范围内进行仿真，得到图2.11所示的仿真结果。从图2.11中可以看出，在通带范围内，插入损耗（ S ₂₁ ）优于2.45 dB，回波损耗（ S ₁₁ ）优于10 dB（ S ₂₁ 和 S ₁₁ 称为 S 参数），符合毫米波电路中过孔互连结构的性能要求。但 S 参数曲线在通带内的谐振点较多，影响微波传输特性，因此计划对过孔互连结构做进一步的优化工作。

2.2.3　过孔互连结构的匹配优化

众所周知，传输结构往往只有一种主模电磁波，但随着信号频率的增大，各种不期望的寄生模式会被激发出来。这些寄生模式对电路无益，但又无法完全避免，它会影响电磁信号在电路中的正常传输，进而破坏信号的完整性，造成输入信号大量损耗，随之带来功率反射和能量辐射问题 ^[20] 。随着频率的持续增大，寄生模式与传输主模之间、不同寄生模式之间还可能发生容性耦合，造成串扰噪声，或者在电路板边缘产生信号反射，导致电磁波在自由空间中产生辐射与共振现象，从而恶化整个电路结构的传输特性。

在图2.9所示的CPWG-SL-CPWG过孔互连结构中，过孔位于平行金属板之间，而相邻的平行金属板会构成径向波导结构，过孔的垂直电流会激发在径向波导内传播的径向波，径向波将与原本存在的TEM波（横电磁波）相互作用，呈现更复杂的模式转换机制。此外，因为金属板与介质层之间呈现开路状态，所以过孔信号激发的电磁波会在相邻两层之间振荡，扰乱过孔互连结构的电场分布。为了抑制径向波导模式的激发对微波传输特性带来的消极影响，可在过孔周围引入电磁屏蔽通孔。电磁屏蔽是抑制电路板出现电磁干扰现象的重要手段之一，利用电磁屏蔽通孔不仅可以抑制径向波导模式的激发，还能对高频电场和磁场同时加以屏蔽，将过孔辐射的能量约束在一定区域内。此外，电磁屏蔽通孔能良好接地，连接多层LCP电路板的金属板和介质层，使其构成一个完整的回路，避免产生电磁干扰现象 ^[21,22] 。

2.2.2节讨论分析了过孔互连结构中过孔半径、焊盘半径及反焊盘半径等关键结构参数对微波传输特性的影响，得到了过孔互连结构的初步模型。为了使仿真结果性能更佳，本节将引入电磁屏蔽通孔，通过研究电磁屏蔽通孔的数量和位置对微波传输特性的影响，对过孔互连结构进行匹配优化工作。电磁屏蔽通孔的分布如图2.12所示，过孔位于中间，连接顶层CPWG和第3层SL。电磁屏蔽通孔位于过孔的四周，连接多层LCP电路板各层。过孔中心与电磁屏蔽通孔中心的距离为 s _p ，电磁屏蔽通孔的半径为 R _pb ，且采用对称分布，其数量用 n _p 表示。基于以上设定对电磁屏蔽通孔展开系列研究。

（1）电磁屏蔽通孔位置对传输特性的影响。

在HFSS软件中建立图2.13所示的不同位置的电磁屏蔽通孔的仿真模型。其中，CPWG的金属导带宽度为0.11 mm，长度为1 mm，两侧缝隙宽度均为0.1 mm；SL的金属导带宽度为0.06 mm，长度为2 mm，过孔半径为0.07 mm，焊盘半径为0.17 mm，反焊盘半径为0.26 mm。将电磁屏蔽通孔半径 R _pb 设置为0.08 mm，电磁屏蔽通孔数量 n _p 设置为4，过孔中心与电磁屏蔽通孔中心的距离 s _p 分别设置为0.45 mm、0.55 mm、0.65 mm，对过孔互连结构中电磁屏蔽通孔的位置变量进行仿真分析。

仿真结果如图2.14所示，在0.1～40 GHz频率范围内，随着 s _p 持续增大，过孔互连结构的 S ₂₁ 曲线整体趋势下降， S ₁₁ 曲线整体趋势上升，即过孔互连结构的传输特性逐渐恶化。由此可知，在确定电磁屏蔽通孔与过孔之间的距离时，应该尽可能选择较小的 s _p ，以保证良好的传输特性，但过小的 s _p 会给电磁屏蔽通孔的加工带来挑战。在实际情况中，应该结合多层LCP电路工艺规范，在保证有效改善过孔互连结构传输特性的同时，避免工艺极限带来的误差，选取较小的 s _p 。

（2）电磁屏蔽通孔数量对传输特性的影响。

通过以上分析可知，过孔与电磁屏蔽通孔的距离与过孔互连结构的传输特性成反比，而电磁屏蔽通孔的数量对过孔互连结构的传输特性也会有一定的影响。在HFSS软件中，建立图2.15所示的不同数量的电磁屏蔽通孔的仿真模型。其中，CPWG的金属导带宽度为0.11 mm，长度为1 mm，两侧缝隙宽度均为0.1 mm；SL的金属导带宽度为0.06 mm，长度为2 mm，过孔半径为0.07 mm，焊盘半径为0.17 mm，反焊盘半径为0.26 mm。将电磁屏蔽通孔半径 R _pb 设置为0.08 mm，过孔中心与电磁屏蔽通孔中心的距离 s _p 设置为0.45 mm，电磁屏蔽通孔数量 n _p 分别设置为4、8、12，仿真分析电磁屏蔽通孔数量对传输特性的影响。

仿真结果如图2.16所示，由 S 参数曲线可以看出，在0.1～40 GHz频率范围内，随着过孔周围电磁屏蔽通孔数量的增多，即电磁屏蔽通孔分布密度的持续提升， S ₂₁ 曲线总体趋势上升， S ₁₁ 曲线总体趋势下降，过孔互连结构的传输特性不断优化。因此，在进行电磁屏蔽通孔分布时，应该在过孔周围添加数量较多、密度较大的电磁屏蔽通孔，从而有效减小高频电磁波的传输损耗，达到改善传输特性的目的。

（3）电磁屏蔽通孔对电场分布的影响。

电磁屏蔽通孔除了能够很好地抑制径向波激发带来的高频寄生模式，还可以控制电磁场和电磁波向外辐射，防止泄露出的电磁波对其他相邻电路或元器件产生消极影响，引发电磁干扰现象。为了验证电磁屏蔽通孔抑制电磁波辐射的有效性，保持过孔互连结构其他参数不变，通过更改电磁屏蔽通孔的数量和位置，利用HFSS软件对有无添加电磁屏蔽通孔的过孔互连结构电场分布进行仿真分析。

过孔互连结构的电场分布如图2.17所示。其中，颜色越偏向浅色的区域电场强度越强，电荷分布较多，越偏向深色的区域电场强度越弱，电荷分布较少。从图2.17中可以看出，当过孔互连结构没有添加电磁屏蔽通孔时，电场产生泄露现象。而添加了电磁屏蔽通孔的电场被很好地约束在一定范围内，并且添加不同数量和位置的电磁屏蔽通孔对电场有着不同程度的约束作用。随着电磁屏蔽通孔的数量越多、 s _p 越小、分布越密，屏蔽效果越明显，说明电磁屏蔽通孔在减轻电路系统电磁干扰的问题上发挥着至关重要的作用。

由上述分析可知，电磁屏蔽通孔的添加在某种程度上能够改善过孔互连结构的微波传输特性，并且能有效抑制电磁辐射。根据仿真分析得出的电磁屏蔽通孔数量和位置对微波传输特性的影响规律，基于4层LCP电路板最终设计出图2.18所示的过孔互连结构。CPWG和SL均按照50 Ω特性阻抗对应的尺寸进行设计，整个互连电路的结构尺寸为4 mm×4 mm，其中，CPWG的金属导带宽度为0.11 mm，长度为1 mm，两侧缝隙宽度均为0.1 mm；SL的金属导带宽度为0.06 mm，长度为2 mm，过孔半径为0.07 mm，焊盘半径为0.17 mm，反焊盘半径为0.26 mm。为了提高微波传输特性，在2个过孔四周分别设置12个 s _p 为0.2 mm的电磁屏蔽通孔，电磁屏蔽通孔半径 R _pb 为0.05 mm，为了更好地抑制电磁波的辐射和电场的泄露，在CPWG两侧同样设置电磁屏蔽通孔。

在HFSS软件中对优化后的CPWG-SL-CPWG过孔互连结构进行全波仿真分析，仿真结果如图2.19所示。从图2.19中可以看出，在0.1～40 GHz频率范围内，当没有添加电磁屏蔽通孔时，通带内谐振点较多，且在谐振点附近， S 参数曲线波动较大，信号的反射被加强，传输质量被严重降低。添加了电磁屏蔽通孔后， S 参数曲线谐振次数明显减少， S ₁₁ 曲线较为平滑，表明电磁屏蔽通孔对电磁场有一定的约束作用，信号的功率损耗情况也有所改善。过孔互连结构的 S ₂₁ 优于0.6 dB，相较没有添加电磁屏蔽通孔时优化了1.85 dB； S ₁₁ 优于15.7 dB，相较没有添加电磁屏蔽通孔时优化了5.7 dB。综上所述，仿真优化后的CPWG-SL-CPWG过孔互连结构的 S 参数性能良好，可应用于微波、毫米波三维集成电路的高密度多层互连。

2.2.4　过孔互连结构的表征与测试

2.2.2节和2.2.3节利用HFSS软件进行了全波仿真，研究了过孔互连结构中关键结构参数对微波传输特性的影响，并通过添加电磁屏蔽通孔对过孔互连结构进行了匹配优化设计。仿真结果表明，优化后的过孔互连结构在0.1～40 GHz频率范围内具有良好的信号传输特性，能够高效地工作于高频多层电路系统。为了验证仿真结果的准确性和多层LCP电路工艺的可靠性，同时确定电磁屏蔽通孔对传输特性的实际效用，按照上述分析设计给出的CPWG-SL-CPWG过孔互连结构参数对过孔互连结构进行实物制备。

在对优化后的过孔互连结构进行表征之前，需要完成其电路版图的绘制。从HFSS软件中导出过孔互连结构模型的“*.gds”格式文件，将其导入Cadence公司开发的Allegro软件进行电路版图的绘制。图2.20（a）所示为绘制的过孔互连结构的电路版图。

采用日本松下公司生产的双面覆铜LCP柔性基板（R-F705S），通过与安捷利电子实业有限公司合作，对电路结构进行实物加工制作。图2.20（b）所示为过孔互连结构的实物图。利用罗德与施瓦茨公司型号为ZVA50的矢量网络分析仪及From Factor（Cascade）公司型号为DPP210-M的射频探针台对过孔互连结构实物进行 S 参数测试，测试平台如图2.21所示。

图2.22所示为过孔互连结构的仿真结果与测试结果对比，从图中可以看出，CPWG-SL-CPWG过孔互连结构在低频时的仿真结果与测试结果曲线有较好的一致性，然而随着频率的持续增大，过孔互连结构的微波传输特性逐渐恶化。在0.1～40 GHz频率范围内，优化后的过孔互连结构 S ₂₁ 的测试结果优于1.2 dB，相较全波仿真结果恶化了0.6 dB； S ₁₁ 的测试结果优于13.2 dB，相较全波仿真结果恶化了2.5 dB。导致仿真结果和测试结果出现偏差的原因主要有两个方面；一是多层LCP电路板的加工工艺存在误差，导致互连电路的实际结构参数与仿真时的结构参数不是完全一致的；二是未在端口处设计SL到CPWG的过渡结构，测试时射频探针直接扎到了输入端口上，在低频时产生的误差可以忽略不计，但当频率较大时，因未进行端口匹配引起的信号失配现象会越来越明显。同时，可以从图2.22中看出，添加了电磁屏蔽通孔的测试结果曲线平滑，说明电磁屏蔽通孔确实能够有效抑制电磁干扰，提高过孔互连结构的微波传输特性。