射頻封裝技術(shù)：層壓基板和無源器件集成

射頻和無線產(chǎn)品領(lǐng)域可以使用非常廣泛的封裝載體技術(shù)，它們包括引線框架、層壓基板、低溫共燒陶瓷（LTCC）和硅底板載體（Si Backplane）。由于不斷增加的功能對集成度有了更高要求，市場對系統(tǒng)級封裝方法（SiP）也提出了更多需求。

引線框架基板封裝技術(shù)在過去的幾年中得到了巨大的發(fā)展，包括刻蝕電感、引腳上無源器件、芯片堆疊技術(shù)等等。框架基板是成本最低的選擇，但是更高的功能性要求更多的布線和更多的垂直空間利用，因而，框架封裝很少用在RF集成解決方案中。

LTCC因其具有多層結(jié)構(gòu)、高介電常數(shù)和高品質(zhì)因子電感，已經(jīng)被證明是一種能提供高集成度的高性能基板材料。LTCC方案中實(shí)現(xiàn)了無源器件的嵌入，如獨(dú)立RCL或包含RCL的功能塊，使SMT器件所需平面空間最小，同時提高電性能。集成度是LTCC的優(yōu)點(diǎn)，然而翹曲、裂紋、基板的二級可靠性、以及整個供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)（基板在封裝過程中的傳送）等等對LTCC的局限，使之無法成為流行的載體基板選擇。

硅底板載體，如STATS ChipPAC的芯片級模塊封裝（CSMP：Chip Scale Module Package），已經(jīng)廣泛地使用于需要高集成度、卓越電性能和小外形系數(shù)的無線解決方案中。CSMP是一種全集成解決方案的理想封裝形式，可以包括RFIC和基帶IC。然而，這樣的集成度并不是成本最低的，而且也不是所有的射頻和無線設(shè)備都需要的。

這些原因?qū)⑽覀円驅(qū)訅夯?，一種在射頻模塊封裝中應(yīng)用最廣泛的載體。該方法結(jié)合了傳統(tǒng)的層壓基板技術(shù)與無源器件集成技術(shù)（IPD：Integrated Passive Device），成為一種在成本、尺寸、性能與靈活性諸方面能達(dá)到最佳平衡的雙贏解決方案。本文對帶IPD器件的層壓基板的應(yīng)用進(jìn)行討論，同時通過兩個例子來進(jìn)一步闡述研究。

IPD與SMD 和LTCC分立器件電路的對比

射頻模塊需要用到獨(dú)立的RCL或組合的RCL，來實(shí)現(xiàn)諸如濾波器、天線分離濾波器（diplexer）、不平衡變壓器（balun）等的功能塊，這些RCL通常為SMD（Surface Mount Devices表面貼裝器件）形式或IPD形式。

傳統(tǒng)的層壓基板不能很好地適用于嵌入式無源器件，而高介電材料層壓又受到很大成本限制。螺旋電感可以設(shè)計(jì)在層壓基板的內(nèi)部，但是電感值卻有限。因此，在使用層壓基板時，更傾向于結(jié)合SMT器件和IPD，這樣具有成本、外形尺寸和性能等等方面的優(yōu)勢。

對于何時使用表面貼裝器件、何時將特定的無源器件設(shè)計(jì)成IPD更合理，需要進(jìn)行權(quán)衡。例如，當(dāng)需要大于100.0pF的電容器設(shè)計(jì)時，使用SMT器件就具有尺寸與成本的優(yōu)勢。

另外，當(dāng)設(shè)計(jì)中需要比較少量的解耦電容器或獨(dú)立電感和電阻時，通常推薦使用SMT無源器件方式。表面貼裝器件可以充分利用所占空間的Z方向，而IPD則主要利用XY方向，后者對Z高度方向的空間利用很有限，因此，當(dāng)IPD器件表面面積超出可利用的空間，使用表面貼裝元件就比較明智。為了找到在IPD和SMT器件之間最佳平衡，我們研究出可以描述器件值與IPD需要的面積關(guān)系的曲線（圖1）供設(shè)計(jì)參考。

圖1在硅基板上制作的IPD的電感和電容

使用硅基IPD技術(shù)，一個0201 SMD器件的面積（0.15mm2）內(nèi)可以產(chǎn)生25.0nH的電感，或者50.0pF的電容。換言之，對于容量小于25.0nH的電感或小于50.0pF的電容，IPD器件/電路方案的外形尺寸比0201器件更小。

當(dāng)涉及到射頻功能塊時，IPD方案常常會勝出，其中有多種原因。首先，盡管硅基IPD制成的電感也必須使用螺旋形式，但它可以使用更小的線寬和隔離空間。另外，高電阻的硅基片上允許制成具有更高品質(zhì)因子的電感。因而，一個IPD電感的質(zhì)量和外形系數(shù)可以與SMD器件媲美；第二，電容尤其是小容量電容（RF應(yīng)用中）更容易建在IPD中；最后，與PCB上連接SMD器件，或者LTCC內(nèi)部連接相比較，硅基板上的互連路徑更短。

這里有一個例子，對于一個超寬頻（UWB）應(yīng)用濾波器，現(xiàn)有的LTCC濾波器尺寸是3.2mm×2.5mm×0.8mm，如果在IPD中使用相同的布局來實(shí)現(xiàn)，尺寸將會是1.6mm×1.0mm×0.5mm（圖2）。IPD濾波器除了具有更薄的外形以外，尺寸縮小了5倍。

圖2LTCC濾波器(a)和IPD濾波器(b)尺寸比較

我們也對其它情況進(jìn)行了比較，總而言之，對于濾波器（比如LPF 或 BPF）， IPD可以獲得小五倍的外形，對于不平衡變壓器，使用IPD的外形可小兩倍。

另外還有一種方法，通過使用嵌入式電感（層壓板內(nèi)部）和SMT電容來制作濾波器這類功能塊。這樣做的結(jié)果是，除了占用面積超過LTCC或IPD以外，在性能方面也有局限。此外，由于組裝一個整體的集成功能塊的過程被拆分成兩部分（PCB電感和SMT電容），封裝要獲得好的良率就必須對組裝工藝提出更嚴(yán)格的要求。

SMT器件具有大小不同的尺寸。在射頻模塊應(yīng)用中，當(dāng)前最常用的是0201。更小尺寸的01005器件剛剛出現(xiàn)，但是它們通常比較昂貴而且器件值也有限。這些SMT器件的貼放通常使用高速貼片機(jī)，然后通過回流焊接在層壓板上。

圖3一個RF模塊中，IPD鍵合在層壓基板上(a)，或IPD倒裝在基板上

IPD可以是裸芯片形式或凸點(diǎn)器件，然后通過引線鍵合或倒裝焊接到基板上（圖3）。凸點(diǎn)IPD芯片可以和SMT器件一起使用高速貼片機(jī)進(jìn)行貼放，貼裝完成后，其它芯片可以通過引線鍵合直接放到基板上。

示例研究＃1—— GSM匹配電路

在一個RF接收器中，需要使用一些匹配電路，來提高PA和LNA這些有源電路的性能。這些匹配電路包括RCL器件。由于考慮成本和性能，這些RCL器件可以從芯片中去除，并通過SMD或IPD形式實(shí)現(xiàn)。

我們對一個客戶的GSM傳送模塊使用片外匹配器，并進(jìn)行了對比研究。在該模塊中，有73個用于匹配電路和DC解耦的無源器件，如果只使用SMD元件（假設(shè)所有器件可選用0201），封裝尺寸將是11mm×11mm。然而，如果某些器件用IPD形式實(shí)現(xiàn)，模塊的尺寸可以得到明顯的縮?。ū?）。

表1SMD和IPD方案封裝尺寸的比較

對于這些GSM的低頻（860MHz）和高頻（1800MHz）匹配器，IPD方法非常適合。除了一些大容量的解耦電容，55個RCL可以制作在一個尺寸更小的IPD網(wǎng)絡(luò)中，封裝大小可以達(dá)到7mm×7mm。為了簡化，布線的復(fù)雜度在所有的示例中沒有考慮。

應(yīng)當(dāng)注意到，IPD網(wǎng)絡(luò)是被當(dāng)作一個集成芯片來對待的，因?yàn)樗耐庑蜗禂?shù)和厚度都與一個集成電路相近。IPD網(wǎng)絡(luò)與傳送芯片堆疊，雖然增加了模塊的厚度，但由于IPD僅僅0.25mm厚，對厚度的增加沒有明顯的影響。因此，IPD封裝堆疊節(jié)省了空間，并可以通過引線鍵合或者倒裝焊的形式，堆疊在另外一個芯片的上方或下方。 示例研究#2 —— GSM不平衡變壓電路（Balun Circuits） 為了抑制噪聲和提高PA性能，常常對PA采用微分輸出設(shè)置，因而，需要一個變壓器，來將單步端轉(zhuǎn)換到微分端。然而，業(yè)界能提供的變壓器具有固定的阻抗變壓比，例如50.0～100.0Ω變壓器或50.0～200.0Ω變壓器。大多數(shù)的PA具有低的輸出阻抗，以傳送高功率。這就需要在變壓器和PA之間設(shè)置一個匹配電路，如圖5（b）所示。在該例中，功率放大器（PA）輸出匹配電路和變壓器功能塊，被用來展示使用IPD技術(shù)的功效。

圖4兩種方案的封裝比較

應(yīng)用中有GSM低頻（860MHz）和GSM高頻（1800MHz）電路。對每個頻帶，有一個匹配電路和一個變壓器，將一個微分功放輸出轉(zhuǎn)換到單步端輸出（50.0Ω）。該產(chǎn)品現(xiàn)有形式中，客戶使用了標(biāo)準(zhǔn)芯片多層LTCC變壓器，尺寸分別為2.0mm×1.25mm×0.95mm和1.6mm×0.8mm×0.6mm。由于標(biāo)準(zhǔn)的變壓器有50.0～200.0Ω阻抗轉(zhuǎn)換，和特定的功放輸出阻抗不匹配，該模塊需要一個獨(dú)立的匹配電路（4 RCL器件）在功放和變壓器之間?，F(xiàn)有的LTCC+SMD的解決方案如表2所示。

表2使用IPD和分離器件的面積比較

由于可以設(shè)計(jì)一個IPD變壓器來匹配任何的功放輸出阻抗，因此沒有必要使用獨(dú)立的匹配電路（每個頻帶4個RCL）。換言之，匹配功能可以嵌入到Balun變壓器中。IPD方案的整體尺寸為2.5mm2，大約比現(xiàn)有的LTCC+SMD方案的尺寸小四倍。除此之外，IPD匹配器和變壓器電路只有大約0.25mm高，這也比離散的LTCC器件薄。

圖5（a）GSM高低頻段中的IPD Balun。尺寸為1.5mmX1.0mm和1.0mmX1.0mm。匹配的功能已經(jīng)嵌入在Balun變壓器中；（b）輸出匹配電路和變壓器功能塊解決方案示意

該IPD解決方案完全去除了在匹配器和變壓器模塊中使用SMD器件，它不僅使面積縮小了四倍，而且大大降低了封裝過程的成本。由于其集成在一個IPD模塊中，而非使用一個LTCC分離器件Balun變壓器和四個RCL，良率和工藝變化的影響都得到改善。

結(jié)論

關(guān)于射頻封裝的理想解決方案近年來有許多研究，最重要的是要在成本、體積和性能需求之間謀求平衡。盡管引線框架技術(shù)中已取得顯著的進(jìn)展，而LTCC基板性能也已經(jīng)得到提升，但是，在絕大多數(shù)的應(yīng)用中，使用IPD集成和層壓基板的技術(shù)還是最好的整體解決方案。

層壓基板低成本、靈活性高、具有成熟的供應(yīng)鏈和快速的制造周期。IPD可以制作出卓越的射頻功能塊，并能夠象芯片或SMT器件一樣方便地貼裝在層壓基板上。將層壓基板和IPD結(jié)合在一起，為射頻解決方案提供了一個非常廣闊的范圍。本文中所研究的兩個GSM應(yīng)用實(shí)例，僅僅在于說明典型的尺寸縮減，該技術(shù)同樣可以應(yīng)用在移動電視、GPS、WLAN和WiMax等設(shè)備的射頻電路應(yīng)用中。

審核編輯：湯梓紅