面向SiP封裝的層壓板與LTCC板射頻模塊設(shè)計(jì)
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把射頻功能集成在層壓基板和低溫共燒陶瓷(LTCC)上是兩種不同的設(shè)計(jì)問題。本文探討這兩種基板在射頻模塊設(shè)計(jì)方面的優(yōu)勢和劣勢。并將借助一些模塊設(shè)計(jì)實(shí)例來介紹一般的設(shè)計(jì)過程。
首先分析射頻模塊的整體設(shè)計(jì)要求，再?zèng)Q定如何把射頻功能設(shè)計(jì)到模塊中，這是一種良好的設(shè)計(jì)流程。射頻設(shè)計(jì)流程的第一步是定義最終用戶對模塊的要求。以便進(jìn)行分析并開發(fā)模塊解決方案來滿足期望的尺寸和射頻性能。
檢查對層壓板和低溫共燒陶瓷(LTCC)的分區(qū)所做的成本分析。通常每項(xiàng)要求都會(huì)檢查一個(gè)全層壓模塊、一個(gè)全 LTCC 模塊，以及一個(gè)將某些射頻功能設(shè)計(jì)到 LTCC 中的層壓模塊。目前，完全 LTCC 設(shè)計(jì)的模塊局限于前端天線開關(guān)模塊。例如，某種模塊在 6.7 × 5.5mm 的封裝尺寸中包含一個(gè)雙工器、若干低通濾波器、兩個(gè) PIN 二極管天線開關(guān)和三個(gè) SAW 濾波器。
大體而言，過去的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)為準(zhǔn)確地預(yù)先估算各種分析選項(xiàng)下射頻模塊的成本、尺寸和性能提供了基礎(chǔ)。根據(jù)詳細(xì)程度、選項(xiàng)數(shù)量和選項(xiàng)間共性等差異，這種分析需要花幾天到幾周時(shí)間。
兩種基板的特性比較
層壓板的成本一般比陶瓷更低。通常，陶瓷模塊為了具有成本效益必須縮小尺寸，這可以通過把更多電路嵌入多層 LTCC 來實(shí)現(xiàn)。對于同樣尺寸的模塊，層壓板的成本幾乎總是更低。不過，當(dāng)用到精細(xì)間距的倒裝芯片核芯時(shí)，層壓板的成本就可能很高昂了。精細(xì)間距的倒裝芯片器件需要成本更高的高級高密度互連(HDI)技術(shù)。根據(jù)構(gòu)造的不同，HDI 可能比 LTCC 成本更高，也可能更低。在某些設(shè)計(jì)中，無源器件和內(nèi)核決定了模塊尺寸。圖1顯示的藍(lán)芽模塊包含兩個(gè)內(nèi)核和若干高價(jià)值無源器件，它們都無法嵌入 LTCC 中。該設(shè)計(jì)包含一個(gè)巴倫平衡-不平衡變換器和一個(gè)濾波器，它對數(shù)字通信系統(tǒng)(DCS)頻率和個(gè)人通信系統(tǒng)(PCS)的頻率抑制為 40dB。
圖 1, 藍(lán)牙層壓板模塊
LTCC 有較高的介電常數(shù)和薄的隔層，可以在 LTCC 層中嵌入低容量電容。有些 LTCC 的層厚僅有 20 微米。焙燒之后，在 40 微米帶厚時(shí)可以提供高達(dá) 80 的相對介電常數(shù)。這使兩個(gè)介電層的電容密度達(dá)到 18pF/mm2。而層壓板電容密度被限制在 1pF/mm2。
這樣，陶瓷相對于層壓板就具有了尺寸優(yōu)勢。陶瓷還提供范圍更寬的介電常數(shù)。LTCC 的相對介電常數(shù)范圍是 5~80，而層壓板是 2~5。層壓板和陶瓷均提供各種電介質(zhì)厚度，不過陶瓷能夠提供薄得多的尺寸。對于電容器而言，這是優(yōu)勢，但卻可能阻礙某些結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。
借助過孔技術(shù)，LTCC 還獲得了另一項(xiàng)尺寸上的優(yōu)勢。LTCC 可提供焊盤中的過孔。這樣可以把元件安放在焊盤上，因?yàn)檫^孔是實(shí)心的金屬。
低成本的層壓板解決方案使用的是機(jī)械方式鉆出的過孔，其直徑為 200 微米。過孔的一部分被金屬填充。不過，過孔太大，無法被金屬完全填充。剩余部分用阻焊材料來填充。由于焊錫不會(huì)粘附到阻焊材料上，因此需要使過孔離開元件焊盤。如果在層壓板上也用焊盤中過孔技術(shù)，可以使用 HDI 或增加一個(gè)過孔電鍍(via overplating)工藝。不過，這些問題常使層壓板產(chǎn)品的成本明顯增加。
LTCC 的另一個(gè)優(yōu)勢是它的過孔和過孔捕獲焊盤（capture pads）尺寸都更小。這使設(shè)計(jì)更緊湊。不過與層壓板相比，在陶瓷基板中的過孔必須離模塊邊緣更遠(yuǎn)。因此，陶瓷的優(yōu)勢是嵌入 30pF 以下的小容量電容器，更小的過孔和捕獲焊盤。當(dāng)模塊尺寸不是由各種無源器件和內(nèi)核所決定時(shí)，陶瓷基板可實(shí)現(xiàn)比層壓板更小的設(shè)計(jì)。這就抵消了陶瓷基板較高的成本，尤其有利于精細(xì)間距的倒裝芯片核芯。它也可能比 HDI 基板更經(jīng)濟(jì)。
層壓板是一種成本更低的材料，用注模成形方法可以低成本地保護(hù)引線接合的內(nèi)核。陶瓷需要更昂貴的圍堰填充(dam and fill)操作，還需要一個(gè)取放用的蓋子。目前，層壓板可提供相似或更小的線寬和間隔。在 50 微米的大批量生產(chǎn)時(shí)，層壓板可提供 65 微米線寬和間隔，而很多 LTCC 使用 80-100 微米，有些在內(nèi)層上可低達(dá) 60 微米。另外，層壓板使用更厚的金屬，傳導(dǎo)性更高，從而使電阻和電感都更低。在陶瓷中實(shí)現(xiàn)相同的電阻和電感則需要更大的線寬。層壓板解決方案還提供更好的附屬可靠性，因?yàn)樗鼈兊臒崤蛎浵禂?shù)(TCE)接近于與之匹配的印刷電路板。陶瓷的 TCE 為 7 × 10-4，而層壓板和匹配的印刷電路板的 TCE 在 12 × 10-4和 14 × 10-4之間。在為模塊連接所做的二次回流焊期間，互連焊點(diǎn)的應(yīng)力更低。另外，如果印刷電路板是雙面的，可能還需要第三次回流焊。在產(chǎn)品工作環(huán)境的熱條件下，匹配的 TCE 也使印刷電路板上的機(jī)械互連焊點(diǎn)的應(yīng)力更低。
陶瓷模塊一般采用焊接凸塊或焊球，封裝為 BGA，來幫助降低由于陶瓷和印刷電路板的 TCE 不匹配而造成的互連焊點(diǎn)應(yīng)力。另外，關(guān)鍵的連接點(diǎn)被排成一行，并遠(yuǎn)離應(yīng)力較高的模塊角。它們還可以進(jìn)行復(fù)制以提高可靠性。封裝尺寸對于可靠性也是很關(guān)鍵的。不過，層壓板的可靠性是不容易獲得的。
阻容元件的嵌入
新近的技術(shù)進(jìn)步已經(jīng)開始模糊了陶瓷和層壓板之間的區(qū)別。
陶瓷的一項(xiàng)優(yōu)勢是能夠嵌入電容器。多種新技術(shù)也可以在層壓板內(nèi)部嵌入電容器。目前的技術(shù)僅適合于大容量電容器。它們使用 X7R 電介質(zhì)或非常薄的亞微米薄膜。不過，嵌入式小容量電容器正在開始出現(xiàn)。
這種技術(shù)的樣品已經(jīng)得到了驗(yàn)證，不過目前它還不具備大批量制造的成熟工藝。預(yù)計(jì)有嵌入式電容器的層壓模塊將于 2004 年進(jìn)入批量生產(chǎn)。
此外，這兩種工藝都可以嵌入電阻。Shipley 公司的工藝局限于材料整體的表面阻抗都相同。Dupont 公司的工藝可以混合并匹配各種表面阻抗的涂料，僅比單一涂料方式多增加一點(diǎn)成本。目前，如果嵌入式無源器件的數(shù)量接近每平方厘米6個(gè)，那么這兩種技術(shù)都很有成本效益。不過，元件數(shù)量很少時(shí)往往成本更高，只有增大批量才有望降低成本。
在陶瓷基板這一方面，已經(jīng)開始出現(xiàn)各種針對陶瓷的注模成形工藝。通過對多種影響可靠性的因素進(jìn)行優(yōu)化，降低了陶瓷模塊的總封裝成本。
盡管層壓板的介電損失更高，但它的金屬部分比 LTCC 好。LTCC 在介電損失方面性能更好，但犧牲了金屬連接性。它焙燒的金屬層更薄，損耗更大。
濾波器等器件的集成
層壓板濾波器可用于 2.4GHz 和 5GHz 的藍(lán)牙應(yīng)用和 WLAN 應(yīng)用（圖2）。這些頻率的平衡-不平衡變換器和其它裝置也已經(jīng)開發(fā)成功。這些器件降低了總封裝成本，同時(shí)能為接收器提供射頻選擇性。濾波器保護(hù)接收器免受 PCS/DCS 和蜂窩通信的影響。它還為發(fā)射器和工作在 5GHz 范圍的 802.11a 等系統(tǒng)提供了一定的諧波衰減。
圖2, 層壓板 2.4GHz WLAN 和藍(lán)牙嵌入式濾波器
濾波的數(shù)量取決于接收器的預(yù)期保護(hù)級別、距離和動(dòng)態(tài)范圍，以及低噪聲放大器(LNA)的壓縮點(diǎn)。不過，壓縮點(diǎn)與 LNA 的電流消耗密切相關(guān)。
濾波器無法對帶內(nèi)干擾源提供防護(hù)，如 2.4GHz 手機(jī)和泄漏微波的微波爐等。LNA 壓縮是對帶內(nèi)干擾源的唯一防護(hù)方法。濾波可以對帶外干擾源提供防護(hù)。LNA 壓縮和濾波器選擇性之間仍然存在著一個(gè)平衡問題。
假如沒有更高的插入損耗，那么對于低 P1dB LNA，也許無法實(shí)現(xiàn)充分的濾波。 不過，由于插入損耗在 LNA 的前面，因此它將影響總體接收器噪聲值。這種更高的濾波器插入損耗需要的 LNA 噪聲值（以滿足總體接收器靈敏度）也許是無法實(shí)現(xiàn)的。使用高通濾波器來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的帶通濾波器，為在基板中嵌入濾波器帶來了機(jī)會(huì)。這樣的優(yōu)點(diǎn)包括消除了很多元件、需要的空間更小、材料清單成本降低，以及通過使用更便宜的模套(moldcap)來降低成本。
陶瓷濾波器的外形較高，而且需要成本更高、帶蓋子的圍堰填充工藝。先進(jìn)的設(shè)計(jì)可以使層壓式濾波器具有足夠高的選擇性，無需再用陶瓷濾波器，這樣使高度更低，同時(shí)還是一種減少成本的替代方案。
其它集成工藝
圖 3, 帶有集成式天線和屏蔽的藍(lán)牙模塊
集成式天線是另一種可以降低總體系統(tǒng)成本的技術(shù)。圖3描繪了一種全藍(lán)牙模塊，它需要外部參考信號(hào)。它包含一個(gè)具有數(shù)字功能和射頻功能的內(nèi)核。該設(shè)計(jì)包括若干嵌入式濾波器和一個(gè)巴倫平衡-不平衡變換器。天線被集成到了封裝中。它采用 93 腳 BGA 封裝，尺寸為 15 × 15 × 6.5 mm，不過高度可以降至 4 mm。
嵌入式屏蔽也是降低成本的一個(gè)因素。屏蔽可能是用來降低輻射，從而滿足規(guī)范要求，使器件免受附近干擾源的影響，并使收發(fā)器能夠正常工作。
一個(gè)信號(hào)可以耦合到藍(lán)牙或 WLAN 前端濾波器后面的電路板中。與產(chǎn)品外部干擾源相比，這可能會(huì)在藍(lán)牙或 WLAN LNA 中產(chǎn)生更大的噪聲級別。電路耦合可能還會(huì)影響 PCS 接收器。這是由于直接耦合也可能于接收器鏈的后面耦合進(jìn)來。如果它在自動(dòng)增益控制(AGC)帶寬范圍內(nèi)，那么它可能會(huì)啟動(dòng) AGC。AGC 帶寬一般比中放(IF)帶寬更高。這可能會(huì)在接收器中產(chǎn)生 30 dB 的 AGC，降低接收器靈敏度。所以在電路設(shè)計(jì)時(shí)一定要特別小心，避免耦合現(xiàn)象。
除了這些直接耦合機(jī)制以外，藍(lán)牙收發(fā)器和 PCS 收發(fā)器還必須與彼此的時(shí)鐘和寄生干擾一同工作。
要預(yù)測這些輻射的影響是不容易的。封裝級的屏蔽能夠滿足這些要求，同時(shí)滿足有關(guān)該系統(tǒng)的規(guī)定。屏蔽一般是在產(chǎn)品級別實(shí)現(xiàn)，但是，封裝級屏蔽可以為許多產(chǎn)品開發(fā)商免除昂貴的供應(yīng)問題，從而降低成本。一種替代解決方案是將其中屏蔽部分與內(nèi)核封裝在一起。模塊可以包含多個(gè)屏蔽裝置，以便免受基帶干擾、射頻干擾或發(fā)射器及接收器電路的影響。
除了這些技術(shù)以外，其它工藝，比如芯片和接線、倒裝芯片、堆疊內(nèi)核、嵌入無源器件和雙面表面安裝等，也可以作為解決方案的一部分。
早期成本核算
對產(chǎn)品成本降低最大的影響是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)早期獲得的。如果各種選項(xiàng)的封裝成本、尺寸和性能可以在初期確定的話，那么就能避免很多的重新設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向和設(shè)計(jì)失敗。
圖4給出了一些典型的組裝成本構(gòu)成和基板成本構(gòu)成。根據(jù)這些因素，可以優(yōu)化該架構(gòu)，以包含低成本的射頻設(shè)計(jì)，并產(chǎn)生最優(yōu)的模塊解決方案。
圖 4, 若干 SiP 成本因素
這種初始設(shè)計(jì)包括微調(diào)，以及各項(xiàng)值和零件位置在第一個(gè)原型階段做的調(diào)整。從"負(fù)載拉升"器件數(shù)據(jù)或應(yīng)用板測量得到最好的結(jié)果，不過，借助器件模型來設(shè)計(jì)也是可能的。
多數(shù)射頻功率放大器設(shè)計(jì)項(xiàng)目包括熱管理的仿真和設(shè)計(jì)。它們可以設(shè)計(jì)在任何基板中。它可以在集成式無源器件網(wǎng)絡(luò)中包含薄膜、玻璃或硅。
SiP 的未來趨勢
射頻 SiP 越來越受歡迎。它簡化了匹配的系統(tǒng)板、增加了單位面積或體積內(nèi)的功能、減少了最終的組裝成本與零件數(shù)量、改善了電氣性能、增加了最終組裝的成品率、加快了產(chǎn)品上市時(shí)間，同時(shí)降低了最終用戶或組裝人員需要了解的射頻專業(yè)知識(shí)。
結(jié)果，射頻 SiP 在行業(yè)內(nèi)被日益廣泛接受并用于大批量封裝系統(tǒng)。
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