Substrat De Boîtier IC - Exploration de la technologie d'encapsulation de modules RF

Dans le domaine des communications sans fil, de nombreuses solutions d'intégration de boîtiers ont été développées, notamment la technologie d'empilement de puces, l'encapsulation sur boîtier, l'encapsulation dans boîtier et d'autres formes d'encapsulation d'intégration de systèmes d'application (SIP). Ces technologies ont été appliquées avec succès dans les produits à mémoire flash, les processeurs graphiques et les processeurs de signaux numériques, et sont de plus en plus utilisées dans le domaine des radiofréquences. Les modules RF sont des produits ayant des fonctions d'émission et / ou de réception, y compris, mais sans s'y limiter, les Dispositifs passifs, RFIC, amplificateurs de puissance (PA), dispositifs de commutation, Régulateurs de tension, Cristaux, etc. les dispositifs actifs tels que RFIC / aasic / BB / MAC ont des dimensions relativement petites par rapport aux dispositifs passifs. L'intégration d'éléments passifs (RCL, filtres, barrens, adaptateurs...) a donc un impact important sur le dimensionnement de l'ensemble du module ou du boîtier.

Actuellement, il existe principalement trois types de supports encapsulés utilisés dans les modules radiofréquences. Le premier type est le substrat feuilleté, qui est utilisé dans les dispositifs amplificateurs de puissance de base en raison de son faible prix, de la maturité du processus de fabrication et de bonnes propriétés thermiques et électriques. Les substrats stratifiés sont les plus utilisés dans divers modules et boîtiers.

La seconde est la technologie LTCC (Low Temperature co - burning Ceramic), qui utilise la céramique comme base / support. En raison de sa structure multicouche, de son métal épais et de sa constante diélectrique élevée, une Inductance à facteur de qualité (q) élevé et une capacité suffisamment grande peuvent être intégrées dans le LTCC.

Le troisième type est un dispositif passif à couche mince (TF) formé sur du silicium ou de l'arséniure de gallium, réalisé selon un procédé de semi - conducteur bien connu. Ces dispositifs sont parfois appelés dispositifs passifs intégrés (IPD). Ils ont non seulement moins d'effets parasites et des fluctuations de performance électrique, mais aussi une capacité plus élevée. Cette caractéristique ouvre la voie à son application dans des boîtiers de petits modules.

Le module RF initial a utilisé une seule puce pour coopérer en tant que méthode d'interconnexion principale. Aujourd'hui, le câblage, le soudage inverse et l'empilement Multi - puces sont utilisés simultanément pour les modules RF. Chacun des modules ci - dessus utilise différentes méthodes d'interconnexion, chaque solution ayant ses avantages et ses inconvénients. Ces différentes solutions d'emballage seront présentées séparément dans cet article.

Les substrats stratifiés, communément appelés cartes de circuits imprimés (PCB), ont été largement utilisés pour encapsuler des supports, et ils occupent toujours une part importante des produits encapsulés. En général, seulement deux à quatre couches suffisent pour l'encapsulation de modules RF. Comme représenté sur la figure 1, les produits modulaires sont empilés, les deux puces étant soudées en sens inverse sur un substrat stratifié à quatre couches. Dans le même temps, le dispositif 0201 à montage en surface (SMT) est également installé dans les applications sip, avec des connexions de carte de deuxième niveau utilisant des paramètres BGA.

Le boîtier d'empilement de puces a déjà été utilisé avec beaucoup de succès dans la mémoire flash, la photographie et les produits IC numériques. Sur le marché de la mémoire flash, on voit un empilement vertical de puces multicouches (7 à 8) connectées par des connexions filaires en or. Cette technique d'encapsulation réduit considérablement la taille du module et donc le coût du produit d'application.

Cependant, lors de l'encapsulation radiofréquence, il est nécessaire de prendre en compte la prévention d'une dégradation des performances radiofréquences, notamment des effets parasites induits par l'encapsulation, tels que l'auto - inductance du collage des fils, et des interférences entre la puce et la carte dans le procédé de soudage inverse. L'encapsulation de ces produits basse fréquence et numériques peut ne pas être un problème, mais elle affecte les performances RF des puces de circuits intégrés RF et doit être prise en compte dans la conception de l'encapsulation. Cet effet peut généralement être modélisé à l'aide de circuits RCL et de composants passifs. Pour les caractéristiques tridimensionnelles de l'encapsulation, ces modèles peuvent être dérivés à l'aide d'outils de simulation électromagnétique (EM).

Ces modèles peuvent être utilisés avec des modèles de puces pour tester les performances électriques globales. L'Encapsulation RF est généralement dédiée à une seule application. Par conséquent, la validation de la conception au niveau du système de la nouvelle Encapsulation est nécessaire, y compris son propre modèle IC et le modèle d'encapsulation parasite.

Module en céramique de co - cuisson à basse température Encapsulation

La technologie LTCC utilise des structures multicouches pour mettre en oeuvre des composants passifs tels que des RCL ou des blocs fonctionnels correspondents. L'épaisseur de chaque couche diélectrique est comprise entre 20 µm et 100 µm et l'épaisseur totale de l'empilement de 10 - 20 couches est comprise entre 0,5 mm et 1 mm. La permittivité diélectrique de chaque couche est généralement de 7,0 à 11,0. L'inductance est généralement réalisée par des spirales autorisées par les règles de conception. Avec la taille de l'inductance, elle peut parfois traverser de nombreuses couches. Les condensateurs sont également réalisés en multicouches et peuvent avoir des valeurs de capacité plus importantes. Il est également possible de réaliser la résistance en ajoutant une barrière en film mince entre les couches de céramique.

Dans une structure multicouche, les inducteurs en spirale et en couches métalliques épaisses peuvent avoir des valeurs Q plus élevées. Avec des fréquences de fonctionnement de 1,0 GHz à 6,0 GHz, les boîtiers LTCC peuvent généralement facilement atteindre 30,0 ½ 50,0, ce qui facilite la mise en œuvre de filtres RF à faible perte sur des substrats LTCC. Les condensateurs sandwich réalisés par la structure multicouche LTCC peuvent fournir une capacité suffisante au système RF tout en ayant une tension de claquage plus élevée et de meilleures performances ESD.

Il existe de nombreuses applications qui peuvent utiliser LTCC comme encapsulation de substrat. Un dispositif LTCC peut être utilisé seul comme composant autonome, par exemple un dispositif monté en surface (SMT) dans une application sip. Les grands substrats LTCC peuvent également être utilisés comme substrats porteurs, peuvent être noyés dans des dispositifs passifs et fournir des connexions d'entrée et de sortie sous forme LGA ou qfn. En raison de leur bonne conductivité thermique, les dispositifs amplificateurs de puissance utilisent souvent le LTCC comme substrat.

Utilisation de l'encapsulation passive intégrée

A. dispositif passif intégré (IPD) en tant que dispositif dans sip

Dans les deux schémas d'encapsulation décrits ci - dessus, les dimensions du substrat empilé et du substrat LTCC sont relativement importantes car il n'est pas possible d'incruster de nombreux éléments passifs dans le substrat, notamment des condensateurs de grande capacité; En revanche, ce dernier permet de réaliser dans le substrat suffisamment d'inductances et de capacités à haut facteur de qualité.

La tendance actuelle est de fabriquer des dispositifs passifs de plus en plus petits et de continuer à réduire la taille globale des modules ou des boîtiers. La technologie des dispositifs en couches minces, que ce soit sur un substrat de silicium ou sur un substrat d'arséniure de gallium, reste de loin la technologie avec la densité Capacitive la plus élevée. Le tableau 1 compare les densités capacitives de ces trois techniques.

Pour les condensateurs 56pf, les dispositifs à couche mince sont plus compétitifs que les dispositifs discrets en termes de broches, de taille et d'épaisseur. Un facteur de forme plus petit rend les dispositifs passifs intégrés à couche mince plus adaptés aux modules RF et aux applications sip. Pour des condensateurs de plus grande capacité (par example supérieure à 100 PF), les dispositifs discrets présentent encore un avantage dimensionnel et les condensateurs de grande capacité seront également montés sur la carte sous forme de SMT. 01005 dispositifs SMT sont déjà présents sur le marché. Ces moyens de rétraction rendent le boîtier plus petit, mais leur prix est assez élevé, ce qui augmente le coût du boîtier.

En choisissant un substrat approprié et en utilisant une couche métallique épaisse (par example 8 µm), il est possible de réaliser des inductances Q élevées en IPD. La plupart des fabricants de semi - conducteurs connaissent le processus de production de l'IPD et le processus offre un meilleur rapport qualité - prix.

Les blocs fonctionnels RF utilisant la technologie des dispositifs à couche mince, tels que les filtres, les duplexeurs, les transformateurs symétriques - asymétriques, etc., tirent pleinement parti des avantages du petit facteur de forme et peuvent donc être largement utilisés pour fabriquer des modules RF ou des boîtiers compacts et de petite taille. Les densités capacitives indiquées dans le tableau 1 montrent qu'il est possible d'utiliser des dispositifs passifs intégrés pour réaliser des boîtiers minimaux, que l'on utilise un substrat de silicium ou un substrat d'arséniure de gallium.

B. La tendance de la technologie d'encapsulation de module de taille de puce (CSMP) est de rendre le module ou le SIP plus petit et plus puissant. Les dispositifs passifs fabriqués par la technologie IPD sont des candidats pour une intégration plus élevée en raison de leur petit facteur de forme. L'intégration au niveau de la plaquette élimine le besoin d'un substrat de support traditionnel et les blocs fonctionnels RCL et RF intégrés sont proches du chipset. Cela permet non seulement de réduire la taille du boîtier, mais aussi de réduire les effets parasites et d'améliorer les performances électriques.

Chez stats chippac, nous avons développé une nouvelle technologie qui utilise un grand support IPD / silicium comme structure de fond de panier pour transporter d’autres circuits intégrés (RFIC et / ou bbic) et des équipements montés en surface. Toutes les connexions du circuit, les filtres et les barrens sont réalisés dans un support IPD / silicium. Le module se compose d'une grande puce IPD (10mm * 10mm * 0.25mm) comme plaque de base sur laquelle RFIC et bbic sont soudés à l'envers. Les billes de soudage sont disposées le long des deux côtés et la hauteur des billes de soudage doit être suffisamment grande pour laisser suffisamment d'espace sur l'IPD pour les puces de soudage à puce inversée.

Au fur et à mesure que les modules deviennent plus petits, les composants et les circuits sont compressés dans des zones plus petites. En d'autres termes, le gap du circuit du dispositif est plus petit. Dans ce mode d'intégration, l'intégrité du signal devient parfois problématique. Des outils de simulation électromagnétique peuvent être utilisés pour analyser les circuits critiques et les perturbations de câblage, garantissant ainsi les propriétés électriques du produit encapsulé avant sa fabrication finale.

Par example, dans un boîtier (module CSMP) à puces RF et bande de base simultanées, les interférences mutuelles entre les canaux d'émission (TX) et de réception (RX), et entre le canal de réception (TX) et l'horloge en bande de base principale, toutes les interférences doivent être vérifiées par simulation électromagnétique. La minimisation des perturbations générées par ce dernier est particulièrement critique car les harmoniques d'horloge de fréquence principale en bande de base peuvent tomber dans la bande passante radiofréquence, cachant ainsi dans les communications sans fil un signal reçu déjà faible.

Les boîtiers empilés présentent les avantages d'un faible coût, d'une fabrication facile et de bonnes propriétés thermiques et électriques. Il convient à presque tous les modules RF; Les boîtiers LTCC ont des éléments passifs intégrés dans le substrat, et une taille globale plus petite, une inductance de valeur Q élevée et de grands condensateurs peuvent également être intégrés dans le substrat LTCC. En outre, une bonne spécificité thermique rend le LTCC largement utilisé dans les boîtiers de dispositifs amplificateurs de puissance; Les dimensions extérieures de l'IPD sont petites et idéales pour les modules RF. Csmp, en tant que vecteur de la technologie IPD, peut fournir les boîtiers les plus intégrés. RFIC et bbic peuvent être intégrés dans un petit boîtier en utilisant csmp.