面向SiP封装的层压板与LTCC板射频模块设计

pjh02032121 · 发表于 2015-3-5 13:50

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本帖最后由 pjh02032121 于 2015-4-3 09:21 编辑

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。

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。

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。

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。

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。

两种基板的特性比较

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。

图 1, 蓝牙层压板模块

LTCC 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。

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。
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。

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。

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。

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，从而使电阻和电感都更低。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。

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。

阻容元件的嵌入

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。

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。

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。

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。

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。

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。

滤波器等器件的集成

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。

图2, 层压板 2.4GHz WLAN 和蓝牙嵌入式滤波器

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。

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。

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。

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。

其它集成工艺

图 3, 带有集成式天线和屏蔽的蓝牙模块

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。

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。

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。

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。

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。

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。

早期成本核算

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。

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。

图 4, 若干 SiP 成本因素

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。

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。

SiP 的未来趋势

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。

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。