RF封装技术: 层压基板和无源器件的集成

广泛的封装载体技术可用于RF和无线产品领域，包括引线框架，层压基板，低温共烧陶瓷（LTCC）和硅底板载体（Si底板）. 由于对更高级别的集成的需求不断增长，因此市场对系统级封装方法（SiP）提出了更多要求.

在过去的几年中，引线框架衬底封装技术已经取得了巨大的发展，包括蚀刻电感器，引脚上的无源器件，芯片堆叠技术等等. 框架基板是成本最低的选择，但更高的功能要求更多的布线和更多的垂直空间利用率. 因此，框架封装很少用于RF集成解决方案中.

LTCC被证明是一种高性能的基板材料，由于其多层结构，高介电常数和高品质因数电感，可以提供高集成度. LTCC方案实现了无源设备的嵌入，例如独立的RCL或包含RCL的功能块，从而最小化了SMT设备所需的平面空间并改善了电气性能. 集成是LTCC的优势. 但是，LTCC的局限性例如翘曲，裂纹，基板的二次可靠性以及整个供应链结构（包装过程中的基板传输）等，使其无法成为流行的载体基板选择.

硅背板载体，例如STATS ChipPAC芯片级模块封装（CSMP: 芯片级模块封装），已广泛用于要求高集成度，出色的电气性能和小尺寸的无线解决方案中. CSMP是包含RFIC和基带IC的完全集成解决方案的理想封装. 但是，这种集成水平并不是最低的成本，并且并非所有的RF和无线设备都是必需的.

这些原因导致我们使用层压基板，这是RF模块封装中使用最广泛的载体之一. 这种方法结合了传统的层压基板技术和无源器件集成技术（IPD: Integrated Passive Device），成为一种双赢的解决方案，可以在成本，尺寸，性能和灵活性方面达到最佳平衡. 本文讨论了带IPD器件的层压基板的应用，并通过两个示例进一步详细说明了研究.

IPD与SMD和LTCC分立器件电路的比较

RF模块需要使用独立的RCL或组合的RCL来实现功能块，例如滤波器，天线分离滤波器（双工器）和巴伦. 这些RCL通常是SMD（表面贴装设备）表面贴装设备）形式或IPD形式.

传统的层压基板不适用于嵌入式无源器件，并且高介电材料层压会受到很大的成本约束. 可以在层叠基板内部设计螺旋电感器，但是电感值受到限制. 因此，在使用层压基板时，更倾向于将SMT器件与IPD结合使用，这在成本，总体尺寸和性能方有优势.

在使用表面贴装器件并且将特定的无源器件设计为IPD更为合理时，需要进行权衡. 例如，当需要大于100.0pF的电容器设计时，使用SMT器件在尺寸和成本上都有优势.

此外，当设计中需要相对少量的去耦电容器或独立的电感器和电阻器时，通常建议使用SMT无源器件方法. 表面贴装设备可以充分利用占用空间的Z方向，而IPD主要使用XY方向. 后者在Z高度方向上的空间利用率有限. 因此，当IPD设备的表面积超过可用空间时，请使用表面安装来安装组件是明智的. 为了在IPD和SMT设备之间找到最佳平衡，我们绘制了一条曲线（图1），该曲线可以描述设备值与IPD所需面积（图1）之间的关系，以供设计参考.

图1在硅基板上制造的IPD的电感和电容

使用基于硅的IPD技术，面积为0201的SMD器件（0.15mm2）可以产生25.0nH的电感或50.0pF的电容. 换句话说，对于容量小于25.0nH的电感或小于50.0pF的电容射频器件 陶瓷 封装，IPD器件/电路解决方案的外部尺寸要小于0201器件的尺寸.

在谈到射频功能块时，由于多种原因，IPD解决方案通常会获胜. 首先，尽管由基于硅的IPD制成的电感器也必须采用螺旋形式，但它可以使用更小的线宽和隔离空间. 另外，高电阻硅衬底允许制造具有更高品质因数的电感器. 因此，IPD电感器的质量和形状系数可与SMD器件相媲美. 其次，电容器，特别是小容量电容器（在射频应用中），更易于内置在IPD中；最后，它们连接到PCB上的SMD器件或内部连接到LTCC. 相比之下，硅衬底上的互连路径更短.

这里是一个例子. 对于超宽带（UWB）应用滤波器，现有的LTCC滤波器尺寸为3.2mm×2.5mm×0.8mm. 如果在IPD中使用相同的布局，则尺寸将为1.6mm×1.0mm×0.5mm（图2）. 除了具有更薄的形状外，IPD过滤器的尺寸也减小了5倍.

图2 LTCC过滤器（a）和IPD过滤器（b）尺寸比较

我们还比较了其他情况. 总之，对于滤波器（例如LPF或BPF），IPD可以获得的形状小五倍；对于巴伦，使用IPD可以得到的形状小两倍.

另一种方法是通过使用嵌入式电感器（叠层内部）和SMT电容器来制造功能块，例如滤波器. 其结果是，除了比LTCC或IPD占用更多的面积外，在性能方面也存在限制. 另外，由于将整个集成功能块的组装过程分为两部分（PCB电感和SMT电容器），因此封装过程必须对组装过程有更严格的要求才能获得良好的成品率.

SMT设备的大小不同. 在射频模块的应用中，目前最常用的是0201. 尺寸较小的01005设备刚刚出现，但它们通常更昂贵并且设备价值有限. 通常使用高速贴装机放置这些SMT器件，然后将其回流焊接在层压板上.

图3在RF模块中，将IPD粘结到层压基板（a）上，或者将IPD倒装芯片安装在基板上

IPD可以采用裸芯片或带凸块的器件的形式，然后通过引线键合或倒装芯片键合（图3）与衬底粘合. 凸起的IPD芯片可以使用高速贴装机与SMT器件一起贴装. 放置完成后，可以通过引线键合将其他芯片直接放置在基板上.

示例研究#1-GSM匹配电路

在RF接收机中，需要一些匹配电路来改善有源电路（如PA和LNA）的性能. 这些匹配电路包括RCL器件. 出于成本和性能方面的考虑，可以将这些RCL器件从芯片上移除，并以SMD或IPD的形式实现.

我们将片外匹配器用于客户的GSM传输模块，并进行了比较研究. 在该模块中，有73个无源器件用于匹配电路和DC去耦. 如果仅使用SMD组件（假设所有设备都可以使用0201），则封装尺寸将为11mm×11mm. 但是，如果某些设备以IPD格式实现，则模块的大小可以大大减小（表1）.

表1 SMD和IPD解决方案的包装尺寸比较

对于这些GSM低频（860MHz）和高频（1800MHz）匹配器，IPD方法非常适合. 除了一些大容量去耦电容器以外，还可以在更小的IPD网络中制造55个RCL，其封装尺寸为7mm x 7mm. 为简单起见，并未在所有示例中都考虑布线的复杂性.

应该注意的是，IPD网络被视为集成芯片，因为它的形状因数和厚度类似于集成电路. IPD网络和传输芯片的堆叠会增加模块的厚度，但是由于IPD的厚度仅为0.25 mm，因此对厚度的增加没有显着影响. 因此射频器件 陶瓷 封装，IPD封装堆栈可以节省空间，并且可以通过引线键合或倒装芯片键合堆叠在另一个芯片上方或下方.

示例研究#2-GSM不平衡变压器电路（巴伦电路）

为了抑制噪声并改善PA性能，通常将差分输出设置用于PA. 因此，需要使用变压器将单级端子转换为差分端子. 但是，工业上可以提供的变压器具有固定的阻抗变换比，例如50.0至100.0Ω变压器或50.0至200.0Ω变压器. 大多数PA具有低输出阻抗以提供高功率. 这就需要变压器和PA之间的匹配电路，如图5（b）所示. 在此示例中，功率放大器（PA）输出匹配电路和变压器功能块用于演示使用IPD技术的功效.

图4两种方案的比较

应用中有GSM低频（860MHz）和GSM高频（1800MHz）电路. 对于每个频带，都有一个匹配电路和一个变压器，用于将差分功率放大器的输出转换为单步输出（50.0Ω）. 在该产品的当前形式中，客户使用尺寸分别为2.0mm×1.25mm×0.95mm和1.6mm×0.8mm×0.6mm的标准芯片多层LTCC变压器. 由于标准变压器具有50.0〜200.0Ω的阻抗转换，并且特定功率放大器的输出阻抗不匹配，因此该模块在功率放大器和变压器之间需要一个独立的匹配电路（4 RCL器件）. 表2中显示了现有的LTCC + SMD解决方案.

表2使用IPD和分离装置的面积比较

由于可以将IPD变压器设计为匹配任何功率放大器的输出阻抗，因此无需使用独立的匹配电路（每个频带4个RCL）. 换句话说，匹配功能可以嵌入到Balun变压器中. IPD解决方案的整体尺寸为2.5 mm2，约为现有LTCC + SMD解决方案尺寸的四倍. 此外，IPD匹配器和变压器电路只有0.25mm高，也比分立LTCC器件还要薄.

图5（a）在GSM高频带和低频带中的IPD Balun. 尺寸为1.5mmX1.0mm和1.0mmX1.0mm. 匹配功能已嵌入到Balun变压器中. （b）解决方案匹配电路和变压器功能块解决方案

此IPD解决方案完全消除了在匹配器和变压器模块中使用SMD设备. 它不仅将面积减少了四倍，而且还大大降低了包装过程的成本. 因为它集成在IPD模块中，而不是使用LTCC分离设备Balun变压器和四个RCL，所以提高了产量和工艺变化的影响.

结论

近年来，已经有许多关于RF封装理想解决方案的研究. 最重要的是在成本，数量和性能要求之间取得平衡. 尽管引线框架技术已经取得了重大进展，并且LTCC基板的性能也得到了改善，但是在大多数应用中，使用IPD集成和层压基板技术是最佳的整体解决方案.

层压基板成本低，高度灵活，具有成熟的供应链和快速的制造周期. IPD可以产生出色的RF功能块，并且可以轻松地安装在诸如芯片或SMT器件的层压基板上. 层压基板和IPD的结合为RF解决方案提供了非常广泛的范围. 本文研究的两个GSM应用示例只是为了说明典型的尺寸减小. 该技术还可以应用于移动电视，GPS，WLAN和WiMax设备的射频电路应用.

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