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面向SiP封装的层压板与LTCC板射频模块设计

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发表于 2015-3-5 13:50 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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本帖最后由 pjh02032121 于 2015-4-3 09:21 编辑
; `0 P0 O: m2 r1 [1 V0 {( U, E  i% \% Q- }( u
随着移动无线设备面临更大的缩小体积的压力,人们开始采用系统级封装(SiP)来解决这一难题。不过,前端的射频电路通常需要首先集成在一块基板上,形成一个模块,然后再嵌入SiP中,才能保证射频电路的完整性以及与其它电路的隔离。这种射频模块通常有现成的产品可以使用,但有时为了满足特定要求,还要寻求专业厂商的定制设计。
6 U9 T* s* y4 {: P! C0 a) `3 t# {  w" ?! N, ^
把射频功能集成在层压基板和低温共烧陶瓷(LTCC)上是两种不同的设计问题。本文探讨这两种基板在射频模块设计方面的优势和劣势。并将借助一些模块设计实例来介绍一般的设计过程。
1 h) |5 |! P9 O: a$ G4 Y( ]4 V1 w: D% n1 o$ X" M) {+ }% n8 P; k( |
首先分析射频模块的整体设计要求,再决定如何把射频功能设计到模块中,这是一种良好的设计流程。射频设计流程的第一步是定义最终用户对模块的要求。以便进行分析并开发模块解决方案来满足期望的尺寸和射频性能。
5 W. ]6 Z" P% j. P* Q
0 q$ S( K; {+ ]' P7 e$ Y8 B$ U% F检查对层压板和低温共烧陶瓷(LTCC)的分区所做的成本分析。通常每项要求都会检查一个全层压模块、一个全 LTCC 模块,以及一个将某些射频功能设计到 LTCC 中的层压模块。目前,完全 LTCC 设计的模块局限于前端天线开关模块。例如,某种模块在 6.7 × 5.5mm 的封装尺寸中包含一个双工器、若干低通滤波器、两个 PIN 二极管天线开关和三个 SAW 滤波器。 2 q: @; c$ X. S4 n7 l

: }: ^' W4 I  S% M( _% u8 t9 q7 i大体而言,过去的设计经验为准确地预先估算各种分析选项下射频模块的成本、尺寸和性能提供了基础。根据详细程度、选项数量和选项间共性等差异,这种分析需要花几天到几周时间。
- O9 P; U9 u" b* ~4 O0 q" I8 y5 e2 ^* y
两种基板的特性比较
1 F1 e# Y: o6 V5 E1 I# j+ u+ _" D+ p( j$ u: M
层压板的成本一般比陶瓷更低。通常,陶瓷模块为了具有成本效益必须缩小尺寸,这可以通过把更多电路嵌入多层 LTCC 来实现。对于同样尺寸的模块,层压板的成本几乎总是更低。不过,当用到精细间距的倒装芯片核芯时,层压板的成本就可能很高昂了。精细间距的倒装芯片器件需要成本更高的高级高密度互连(HDI)技术。根据构造的不同,HDI 可能比 LTCC 成本更高,也可能更低。在某些设计中,无源器件和内核决定了模块尺寸。图1显示的蓝芽模块包含两个内核和若干高价值无源器件,它们都无法嵌入 LTCC 中。该设计包含一个巴伦平衡-不平衡变换器和一个滤波器,它对数字通信系统(DCS)频率和个人通信系统(PCS)的频率抑制为 40dB。
6 D6 O: ~. L' O( K3 ?3 D' w4 Y
: U' D# ^" j1 Y5 `, O

4 ~8 Q- F7 r: }0 @# H: s2 X图 1, 蓝牙层压板模块

. A) n5 @6 W6 o2 s. pLTCC 有较高的介电常数和薄的隔层,可以在 LTCC 层中嵌入低容量电容。有些 LTCC 的层厚仅有 20 微米。焙烧之后,在 40 微米带厚时可以提供高达 80 的相对介电常数。这使两个介电层的电容密度达到 18pF/mm2。而层压板电容密度被限制在 1pF/mm2。# X# }" Z0 \; [3 {2 P' c2 G( |/ P4 F
) Q2 M9 x# U# Q# x! J
这样,陶瓷相对于层压板就具有了尺寸优势。陶瓷还提供范围更宽的介电常数。LTCC 的相对介电常数范围是 5~80,而层压板是 2~5。层压板和陶瓷均提供各种电介质厚度,不过陶瓷能够提供薄得多的尺寸。对于电容器而言,这是优势,但却可能阻碍某些结构的应用。5 u3 e$ C1 ?7 q. Q/ ~5 O  h- a- o
借助过孔技术,LTCC 还获得了另一项尺寸上的优势。LTCC 可提供焊盘中的过孔。这样可以把元件安放在焊盘上,因为过孔是实心的金属。
. }/ K9 a( a* t9 V4 v9 n2 B! S* F: Z
低成本的层压板解决方案使用的是机械方式钻出的过孔,其直径为 200 微米。过孔的一部分被金属填充。不过,过孔太大,无法被金属完全填充。剩余部分用阻焊材料来填充。由于焊锡不会粘附到阻焊材料上,因此需要使过孔离开元件焊盘。如果在层压板上也用焊盘中过孔技术,可以使用 HDI 或增加一个过孔电镀(via overplating)工艺。不过,这些问题常使层压板产品的成本明显增加。7 K7 ~1 f+ i% C+ j
6 o4 b/ x' ?0 r) l+ U- i* I* }+ f6 W
LTCC 的另一个优势是它的过孔和过孔捕获焊盘(capture pads)尺寸都更小。这使设计更紧凑。不过与层压板相比,在陶瓷基板中的过孔必须离模块边缘更远。因此,陶瓷的优势是嵌入 30pF 以下的小容量电容器,更小的过孔和捕获焊盘。当模块尺寸不是由各种无源器件和内核所决定时,陶瓷基板可实现比层压板更小的设计。这就抵消了陶瓷基板较高的成本,尤其有利于精细间距的倒装芯片核芯。它也可能比 HDI 基板更经济。# j# P7 C( p" K( Y3 N- D7 ]
/ q7 `- Y) h- c& ?% f9 H" d
层压板是一种成本更低的材料,用注模成形方法可以低成本地保护引线接合的内核。陶瓷需要更昂贵的围堰填充(dam and fill)操作,还需要一个取放用的盖子。目前,层压板可提供相似或更小的线宽和间隔。在 50 微米的大批量生产时,层压板可提供 65 微米线宽和间隔,而很多 LTCC 使用 80-100 微米,有些在内层上可低达 60 微米。另外,层压板使用更厚的金属,传导性更高,从而使电阻电感都更低。在陶瓷中实现相同的电阻和电感则需要更大的线宽。层压板解决方案还提供更好的附属可靠性,因为它们的热膨胀系数(TCE)接近于与之匹配的印刷电路板。陶瓷的 TCE 为 7 × 10-4,而层压板和匹配的印刷电路板的 TCE 在 12 × 10-4和 14 × 10-4之间。在为模块连接所做的二次回流焊期间,互连焊点的应力更低。另外,如果印刷电路板是双面的,可能还需要第三次回流焊。在产品工作环境的热条件下,匹配的 TCE 也使印刷电路板上的机械互连焊点的应力更低。
0 p7 ]3 }& K1 f: V' w$ g1 \" z. @  q" Q. ], i: K+ S
陶瓷模块一般采用焊接凸块或焊球,封装为 BGA,来帮助降低由于陶瓷和印刷电路板的 TCE 不匹配而造成的互连焊点应力。另外,关键的连接点被排成一行,并远离应力较高的模块角。它们还可以进行复制以提高可靠性。封装尺寸对于可靠性也是很关键的。不过,层压板的可靠性是不容易获得的。- m5 L7 Z0 D5 p8 X1 [

# Y) _- O6 s6 @阻容元件的嵌入
  U/ w6 J) o3 U) a- y3 O
' h% y4 o: |2 N; A- u; j/ e新近的技术进步已经开始模糊了陶瓷和层压板之间的区别。
( t  [/ Y% x/ v1 V$ C7 t/ U6 q6 C  F; ~' a, q2 \5 B* N
陶瓷的一项优势是能够嵌入电容器。多种新技术也可以在层压板内部嵌入电容器。目前的技术仅适合于大容量电容器。它们使用 X7R 电介质或非常薄的亚微米薄膜。不过,嵌入式小容量电容器正在开始出现。$ u4 q) i' m- L: G' X2 [" b
& _- |' q- M/ @3 ~) R: z0 a3 L
这种技术的样品已经得到了验证,不过目前它还不具备大批量制造的成熟工艺。预计有嵌入式电容器的层压模块将于 2004 年进入批量生产。
* f( K+ ?6 e# D
$ }' E0 i' Q4 \4 ^; N此外,这两种工艺都可以嵌入电阻。Shipley 公司的工艺局限于材料整体的表面阻抗都相同。Dupont 公司的工艺可以混合并匹配各种表面阻抗的涂料,仅比单一涂料方式多增加一点成本。目前,如果嵌入式无源器件的数量接近每平方厘米6个,那么这两种技术都很有成本效益。不过,元件数量很少时往往成本更高,只有增大批量才有望降低成本。; s. _0 L0 K8 B7 V

: e$ c4 _7 @0 R8 C/ _在陶瓷基板这一方面,已经开始出现各种针对陶瓷的注模成形工艺。通过对多种影响可靠性的因素进行优化,降低了陶瓷模块的总封装成本。, v& p# k# o& e, C& T+ ]* q

6 t1 ~, y+ E+ s( ?$ W7 _尽管层压板的介电损失更高,但它的金属部分比 LTCC 好。LTCC 在介电损失方面性能更好,但牺牲了金属连接性。它焙烧的金属层更薄,损耗更大。
3 ?8 h. G. r, l# U3 q; B$ S/ L/ A( `3 E( r4 D2 t6 m/ [
滤波器等器件的集成
5 R% L4 M) N3 c5 ]  {$ e4 ]% ?- |. |* X$ Q
层压板滤波器可用于 2.4GHz 和 5GHz 的蓝牙应用和 WLAN 应用(图2)。这些频率的平衡-不平衡变换器和其它装置也已经开发成功。这些器件降低了总封装成本,同时能为接收器提供射频选择性。滤波器保护接收器免受 PCS/DCS 和蜂窝通信的影响。它还为发射器和工作在 5GHz 范围的 802.11a 等系统提供了一定的谐波衰减。 8 R- M4 J# l' D5 y) e( I

2 i* `4 R, y& `5 n

' t! r/ N( _$ d/ r% M图2, 层压板 2.4GHz WLAN 和蓝牙嵌入式滤波器
; Q4 J8 x3 V8 q; Q+ k& E$ g8 N6 H
滤波的数量取决于接收器的预期保护级别、距离和动态范围,以及低噪声放大器(LNA)的压缩点。不过,压缩点与 LNA 的电流消耗密切相关。
9 |& u- b5 @  V! j# F8 Q1 R% X3 o7 i  `6 C/ o
滤波器无法对带内干扰源提供防护,如 2.4GHz 手机和泄漏微波的微波炉等。LNA 压缩是对带内干扰源的唯一防护方法。滤波可以对带外干扰源提供防护。LNA 压缩和滤波器选择性之间仍然存在着一个平衡问题。- G' S. u& n% ]; r

# y- \- R6 ?- E3 C0 R/ {假如没有更高的插入损耗,那么对于低 P1dB LNA,也许无法实现充分的滤波。 不过,由于插入损耗在 LNA 的前面,因此它将影响总体接收器噪声值。这种更高的滤波器插入损耗需要的 LNA 噪声值(以满足总体接收器灵敏度)也许是无法实现的。使用高通滤波器来代替传统的带通滤波器,为在基板中嵌入滤波器带来了机会。这样的优点包括消除了很多元件、需要的空间更小、材料清单成本降低,以及通过使用更便宜的模套(moldcap)来降低成本。& ~, b) f+ A" I7 |& u4 _

( f7 g5 }" I+ S; }9 R1 B+ Z陶瓷滤波器的外形较高,而且需要成本更高、带盖子的围堰填充工艺。先进的设计可以使层压式滤波器具有足够高的选择性,无需再用陶瓷滤波器,这样使高度更低,同时还是一种减少成本的替代方案。
0 t& O; u% C: _. L) l
, g2 J$ m4 _; N( b' m2 H9 y) @6 U其它集成工艺 ( I7 n' [: [9 a) P
+ f2 _6 I( s7 b/ Z& }

8 W- g: S7 |0 d& A$ w图 3, 带有集成式天线和屏蔽的蓝牙模块
8 `' c) X- S6 M4 r7 W3 A
集成式天线是另一种可以降低总体系统成本的技术。图3描绘了一种全蓝牙模块,它需要外部参考信号。它包含一个具有数字功能和射频功能的内核。该设计包括若干嵌入式滤波器和一个巴伦平衡-不平衡变换器。天线被集成到了封装中。它采用 93 脚 BGA 封装,尺寸为 15 × 15 × 6.5 mm,不过高度可以降至 4 mm。1 w' }( a7 O4 P, m1 ~7 ?
* e$ C- D& r2 T1 x- }* e
嵌入式屏蔽也是降低成本的一个因素。屏蔽可能是用来降低辐射,从而满足规范要求,使器件免受附近干扰源的影响,并使收发器能够正常工作。
. E9 J2 q( v( o7 M, x
- z: q+ b7 Z  X一个信号可以耦合到蓝牙或 WLAN 前端滤波器后面的电路板中。与产品外部干扰源相比,这可能会在蓝牙或 WLAN LNA 中产生更大的噪声级别。电路耦合可能还会影响 PCS 接收器。这是由于直接耦合也可能于接收器链的后面耦合进来。如果它在自动增益控制(AGC)带宽范围内,那么它可能会启动 AGC。AGC 带宽一般比中放(IF)带宽更高。这可能会在接收器中产生 30 dB 的 AGC,降低接收器灵敏度。所以在电路设计时一定要特别小心,避免耦合现象。
7 u1 I, R8 o/ R: k6 m  S" r1 `+ p- l* C0 W8 T7 P
除了这些直接耦合机制以外,蓝牙收发器和 PCS 收发器还必须与彼此的时钟和寄生干扰一同工作。9 h( x0 H( I9 t# }/ {
. a8 ]$ y1 V8 h7 D8 _0 j
要预测这些辐射的影响是不容易的。封装级的屏蔽能够满足这些要求,同时满足有关该系统的规定。屏蔽一般是在产品级别实现,但是,封装级屏蔽可以为许多产品开发商免除昂贵的供应问题,从而降低成本。一种替代解决方案是将其中屏蔽部分与内核封装在一起。模块可以包含多个屏蔽装置,以便免受基带干扰、射频干扰或发射器及接收器电路的影响。. s0 L' y% H/ S: v3 Z0 n, }, s% Z
9 N) @( z' Z, b3 e" Y
除了这些技术以外,其它工艺,比如芯片和接线、倒装芯片、堆叠内核、嵌入无源器件和双面表面安装等,也可以作为解决方案的一部分。, K1 T; ~. N! ]) c
' p% q7 m, T- |1 p6 n
早期成本核算# V/ o, y, Z- G( q4 o. i

$ z+ w% `* O( j! n. }对产品成本降低最大的影响是在产品设计早期获得的。如果各种选项的封装成本、尺寸和性能可以在初期确定的话,那么就能避免很多的重新设计、设计转向和设计失败。
# S( U0 O7 ?9 O+ ]0 P
* R- C$ s5 B3 F6 D' A7 X3 ^图4给出了一些典型的组装成本构成和基板成本构成。根据这些因素,可以优化该架构,以包含低成本的射频设计,并产生最优的模块解决方案。
& E; T6 {4 j; i4 T* g6 h4 H: {# q+ g: l- M! j3 c: N3 e- d5 C& W! b$ S- g

- {, u7 l+ _) M+ U6 k. {图 4, 若干 SiP 成本因素

) G5 A# j: X9 `  ^% n! I6 R. H( P这种初始设计包括微调,以及各项值和零件位置在第一个原型阶段做的调整。从"负载拉升"器件数据或应用板测量得到最好的结果,不过,借助器件模型来设计也是可能的。8 C$ `7 C- V  E4 \% |' ~. Q
# V) ?6 Z' ^% B
多数射频功率放大器设计项目包括热管理的仿真和设计。它们可以设计在任何基板中。它可以在集成式无源器件网络中包含薄膜、玻璃或硅。" G/ N% G0 J, W: i  ?

5 ]) W4 j6 N9 QSiP 的未来趋势. x4 x; m7 O' i
! X6 a9 @# u. R0 G$ i  n
射频 SiP 越来越受欢迎。它简化了匹配的系统板、增加了单位面积或体积内的功能、减少了最终的组装成本与零件数量、改善了电气性能、增加了最终组装的成品率、加快了产品上市时间,同时降低了最终用户或组装人员需要了解的射频专业知识。 + J. _% W. {3 @6 Z$ p* R

( c7 l1 D* Z6 D' X2 r# e* ^- _结果,射频 SiP 在行业内被日益广泛接受并用于大批量封装系统。

8 N1 A+ e6 a' m6 ~/ O* P' e4 u1 M  s/ u
5 Z4 l9 y) @. k- p- H2 i
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发表于 2015-3-14 16:53 | 只看该作者
太专业了

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发表于 2015-3-16 15:37 | 只看该作者
这里的层压板就是指的ic载板吧

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yes pcb和ic载板(封装基板)都是层压板  详情 回复 发表于 2015-3-16 16:19

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 楼主| 发表于 2015-3-16 16:19 | 只看该作者
啤酒花 发表于 2015-3-16 15:37
: u) E7 F% Q  D7 [6 J8 J这里的层压板就是指的ic载板吧

) U! h- u8 V  K  o, `yes pcb和ic载板(封装基板)都是层压板: {  k; P% \1 g- C6 ?, w- S0 G
! F5 \1 r8 z9 ]8 `& Y
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发表于 2015-3-16 16:39 | 只看该作者
这里的层压板就是指的ic载板吧

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完全正确 ,substrate大陆叫封装基板,台湾叫IC载板,层压板是包括普通PCB在内的统称。  详情 回复 发表于 2015-4-22 22:15

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发表于 2015-3-19 13:54 | 只看该作者
专业的汇总

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发表于 2015-4-13 14:58 | 只看该作者
本帖最后由 hwh 于 2015-4-20 08:42 编辑 ( T& X3 f0 ]9 p( \" k
2 b8 n* R, D3 {$ h2 @/ y8 o
挺专业的,有点看不懂7 f. |1 ^4 n2 Q* v$ A  h

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发现一个恶意灌水的 T了  详情 回复 发表于 2015-4-14 11:47

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发表于 2015-4-14 11:47 | 只看该作者
hwh 发表于 2015-4-13 14:58
6 f4 ~( k7 T' N好好好
3 ^+ T4 b- E# m# ?3 y
发现一个恶意灌水的  T了0 ]2 I7 x3 n3 |) I- N% G0 x

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hwh
好吧 我错了。。。。。。。。。  详情 回复 发表于 2015-4-20 08:39

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发表于 2015-4-20 08:39 | 只看该作者
啤酒花 发表于 2015-4-14 11:47
! @$ @$ }8 b6 d发现一个恶意灌水的  T了
2 {7 j* _" D. n6 e" x- d
好吧  我错了。。。。。。。。。

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 楼主| 发表于 2015-4-22 22:15 | 只看该作者
bingshuihuo 发表于 2015-3-16 16:39+ k7 w4 m: J2 [. [" `
这里的层压板就是指的ic载板吧

% s) J- D0 Q: D# L0 x0 Z完全正确 ,substrate大陆叫封装基板,台湾叫IC载板,层压板是包括普通PCB在内的统称。
) }; [* \- e' }5 T+ f. B) {3 n' X
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