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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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本帖最后由 pjh02032121 于 2015-4-3 09:21 编辑 % G3 x4 b! d* p/ }0 i8 o. V5 G. u

  U2 s2 l4 v; K. Z
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。
& }; P- h- P  V! A6 C: q6 ?* [5 a- ?4 Z* z
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。
8 S6 X7 t; r+ X/ E+ _! n- ~
! l  }& u) C) z* }: h, 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。
9 K- T: @0 X6 W0 s* t7 z; V4 ~* P6 Q. S
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。
1 o* ?" m$ j( W- C* R2 A& h" X- j9 b/ u1 a( F
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。
- \" y8 ?3 t2 X2 @" T
- P* I: X, W# h% ?! L' ]: l两种基板的特性比较 4 |) H! M5 i+ E; W1 E+ h0 x

3 r3 z/ l/ Z/ |+ n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。# c, |: c8 q; M

8 D& o% ^& [/ `' o: m# x  A! s5 K
) L5 P8 a2 n6 W2 t9 P9 t/ e
图 1, 蓝牙层压板模块
; g* B8 G" f4 M! D5 R* R9 v" `
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。
' ~- ~3 Q% X6 i/ U/ q# W8 P4 t, I' U& ]: A/ w, `2 X3 w' _. g* d
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。
, B& q+ n% U; L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。
+ L7 c( m# s' ~% L( N, Q# c$ ?0 S" p8 g0 l+ i9 ^: F; G
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。
% m$ ?% T0 \6 b; D1 S- x- O& \$ k
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。
6 ]1 J" u! [# A9 S% X2 w8 e) N, i1 w% h7 x0 g! p$ Y5 }  b4 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。4 [6 [9 f0 K1 T4 L# o6 R

8 }4 {& ~9 n! r' R" B0 \. U6 p/ V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。
- ^) [+ j+ \: |* C) u) r
1 Y9 o$ v9 j, M+ L! v. Q. V6 ]3 W阻容元件的嵌入9 J  d) W8 N. u, M, @* U
& g9 ~8 \" d7 u$ s8 j0 d, }
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。
& _! {- t2 l9 @
/ w' Q, y" f, ~  x: e' @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。6 u, o, _/ M$ G6 s1 j

7 o5 j( g6 Y/ P! \1 e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。2 l/ ]* u: p, v* r# K3 n
$ g& Z* d+ L/ }. V( E: J& z
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。
9 [- V, C0 t, y& Z4 X$ L
3 e0 a7 l5 l* G% [% y5 E6 j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。2 ~1 Q5 l+ _+ T

1 v/ k, L. @+ b  t7 e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。
& u* o7 v2 Q, k5 \2 a/ B- H5 v$ l
/ t1 z2 t" e' l滤波器等器件的集成: t2 _( g' v$ |/ q5 j
5 f& s# u- M6 k& S& k6 |" l5 t3 w
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。 2 G( {) T1 h) w$ t% y6 P
3 W( s# F1 m& O3 J
) @$ S3 w, p. ]0 F. z  ?3 H
图2, 层压板 2.4GHz WLAN 和蓝牙嵌入式滤波器
( u% K6 Q" I' s; i& T5 g4 h# Q
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。/ z& T- h, r1 a4 F2 J/ r% R* k! `$ Z

1 c) Q3 b3 [$ |7 x" i2 S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。% L( x; D7 }( ?
& R! b0 R$ K# A! C& A- ?6 n
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。
6 ]% R( x" O7 Q; B8 j# U, q
' b7 t' Q5 S% N1 h+ m# V( X/ i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。" a( _  e6 S: S8 h+ t

5 \0 |- \7 \& l" J其它集成工艺 ; w, n$ i( `  R8 r; c# F& |. I
( J; e& N' X# m! M4 N, c9 Z, F4 P* T4 R
; e, u! [4 n2 j, @" Y8 S
图 3, 带有集成式天线和屏蔽的蓝牙模块

/ _9 F8 `1 U  I% z8 n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。
* v5 G' [7 g2 N0 j
0 F% }2 h5 M+ F5 g4 b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。
& q/ g% @& \1 `
* j' E8 Y; J3 Z& |# A5 x0 S, Z) z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。8 @1 g* w, e; `7 y/ `! K( c2 W+ l6 X

+ F, f9 J- s  @2 r0 w( h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。
0 F  P7 ^( B& B  b
# `" _/ Q9 B: b0 b+ @& 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。& b% ^  J8 ~( |: ]: C/ w! H
9 e, k" a: @3 o4 X
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。$ D- M2 n2 q; O: I% _- {& c7 ~

3 w! N5 w( W  u# A- D0 C2 }$ F早期成本核算* a: x8 L" E0 y7 K
9 p- G' x; z- P6 P7 o
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。* j, A$ ~9 Q8 x, d1 y, E
; k) L! ~: [7 O+ r! R
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。 : M! r, q( S, T6 R" {6 _4 J

& r6 k+ K4 N3 C4 o
  s- U$ }3 v: O) `! `1 v0 h8 c
图 4, 若干 SiP 成本因素

, i* u: t5 z3 p# V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。% |" B$ Q2 h7 y: _5 C' l7 Q: w! p

+ o) ^4 _4 X' H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。8 e2 c' N& N+ |* B
% W% `, T; i& `$ c
SiP 的未来趋势
( y/ H" V4 H4 L5 Z  _* ^3 a/ M
  @2 e1 M8 i; h7 @$ E9 X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。
8 X, g: w  N  b  X* l2 e9 f2 U6 G8 F& d% r3 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。

' d" W7 k0 s# I
! w0 z. s" E$ b$ ]
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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
2 e/ a7 z) ^0 M$ j" m( @" b# F这里的层压板就是指的ic载板吧

) Q2 x/ H% z+ B- L, gyes pcb和ic载板(封装基板)都是层压板
7 W* X3 [. ]! z1 s
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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 8 N* L9 f$ H+ I- l

2 u9 e# R, S3 r& q挺专业的,有点看不懂
' E+ Q0 n0 b- e" s7 W9 B5 o

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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 14:585 z2 i! \# r  a0 v1 e
好好好

& ~) E* G8 ^! d5 y3 W  b( p发现一个恶意灌水的  T了
% a1 |) _6 ]9 q1 Y

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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
4 l& G6 @/ Q5 k$ o发现一个恶意灌水的  T了

# n0 L. h' C# W- C8 r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; O6 I# x, t6 q8 A4 X( T. t2 r4 n
这里的层压板就是指的ic载板吧

+ d/ P% y# O& b) l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。$ y* x* G& t& `5 J1 w. F  Q
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