Substrato IC - Discutere sulla tecnologia di imballaggio dei moduli RF

Nel campo della comunicazione wireless, sono state sviluppate molte diverse soluzioni di integrazione dei pacchetti, tra cui la tecnologia di chip stacking, pacchetto su pacchetto, pacchetto in pacchetto e altre forme di imballaggio integrato del sistema applicativo (SiP). Queste tecnologie sono state applicate con successo in prodotti di memoria flash, processori grafici e processori di segnale digitale, e le loro applicazioni nel campo della radiofrequenza stanno anche ottenendo sempre più ricerca. I moduli RF sono prodotti con funzioni di trasmissione e/o ricezione, che includono ma non sono limitati a dispositivi passivi, RFIC, amplificatori di potenza (PA), dispositivi di commutazione, regolatori di tensione, cristalli, ecc Rispetto ai dispositivi passivi, dispositivi attivi come RFIC/ASIC/BB/MAC sono relativamente piccoli. Pertanto, l'integrazione di componenti passivi (RCL, filtro, balun, matcher, ecc.) ha un impatto importante sulle dimensioni dell'intero modulo o pacchetto.

Attualmente, ci sono principalmente tre tipi di supporti di imballaggio utilizzati nei moduli RF. Il primo tipo è substrati laminati, che vengono utilizzati nei dispositivi di amplificazione di potenza di base a causa del loro prezzo basso, processo di produzione maturo e buone proprietà termiche ed elettriche. I substrati laminati sono stati ampiamente utilizzati in vari moduli e pacchetti.

La seconda è la tecnologia ceramica co-cotta a bassa temperatura (LTCC), che utilizza la ceramica come substrato/vettore. A causa della sua struttura multistrato, metallo spesso e alta costante dielettrica, induttanza del fattore di alta qualità (Q) e capacità abbastanza grande possono essere incorporati in LTCC.

Il terzo tipo è un dispositivo passivo a film sottile (TF) formato su arsenuro di silicio o gallio, che è realizzato utilizzando un noto processo semiconduttore. Questi dispositivi sono talvolta denominati dispositivi passivi integrati (IPD). Non solo hanno piccoli effetti parassitari e fluttuazioni delle prestazioni elettriche, ma hanno anche una maggiore capacità. Questa caratteristica ha aperto la strada alla sua applicazione in pacchetti di moduli più piccoli.

Il modulo RF originale ha utilizzato l'incollaggio del cavo di un singolo chip come metodo principale di interconnessione. Oggi, l'incollaggio del filo, la saldatura inversa e l'impilamento multi-chip sono utilizzati contemporaneamente nei moduli RF. Ciascuno dei moduli di cui sopra utilizza una varietà di metodi di interconnessione e ogni soluzione ha i suoi vantaggi e svantaggi. Questo articolo introdurrà queste diverse soluzioni di imballaggio separatamente.

I laminati sono comunemente indicati come circuiti stampati (PCB), che sono stati ampiamente utilizzati nei supporti di imballaggio e occupano ancora saldamente una grande parte dei prodotti confezionati. In generale, solo due o quattro strati sono sufficienti per l'imballaggio del modulo RF. Come mostrato nella Figura 1, il prodotto del modulo impilato, due chip sono saldati inversamente su un substrato laminato a quattro strati. Allo stesso tempo, 0201 dispositivi di montaggio superficiale (SMT) sono montati anche nelle applicazioni SiP e la connessione a circuito stampato di secondo livello utilizza l'impostazione BGA.

L'imballaggio di chip stack è stato utilizzato con molto successo in memoria flash, fotografia e prodotti IC digitali. Nel mercato della memoria flash, abbiamo visto uno stack verticale di chip multistrato (da 7 a 8) collegati da filo d'oro bonding. Questa tecnologia di imballaggio riduce notevolmente le dimensioni del modulo, riducendo così il costo del prodotto applicativo.

Tuttavia, nel processo di imballaggio RF, è necessario considerare la prevenzione della degradazione delle prestazioni RF, in particolare gli effetti parassitari causati dall'imballaggio, come l'auto-induzione dell'incollaggio del filo e l'interferenza tra il chip e il circuito stampato nel metodo di saldatura inversa. Questi pacchetti per prodotti digitali e a bassa frequenza potrebbero non essere un problema, ma influiscono sulle prestazioni RF del chip RFIC e devono essere considerati nella progettazione della confezione. Questo effetto può essere solitamente modellato utilizzando circuiti RCL e componenti passivi. Per le caratteristiche tridimensionali del pacchetto, è possibile utilizzare strumenti di simulazione elettromagnetica (EM) per ricavare questi modelli.

Questi modelli possono essere utilizzati con modelli di chip per testare le prestazioni elettriche complessive. Un pacchetto RF è solitamente dedicato a una singola applicazione. Pertanto, per un nuovo pacchetto è necessaria una verifica del progetto a livello di sistema, compreso il suo modello IC e il suo modello di pacchetto parassitario.

Pacchetto di moduli ceramici co-cotti a bassa temperatura

La tecnologia LTCC utilizza una struttura multistrato per implementare componenti passivi, come RCL o blocchi funzionali corrispondenti. Lo spessore dello strato dielettrico di ogni strato varia da 20um a 100um e lo spessore totale della pila di 10-20 strati varia da 0.5mm a 1mm. La costante dielettrica di ogni strato è generalmente da 7,0 a 11,0. L'induttanza è solitamente realizzata attraverso una spirale consentita dalle regole di progettazione. Con la grandezza dell'induttanza, a volte può passare attraverso molti strati. I condensatori sono anche realizzati in più strati e possono avere valori di capacità più grandi. Le barriere a film sottile possono anche essere aggiunte tra gli strati ceramici per creare resistenze.

In una struttura multistrato, gli induttori fatti di spirali e spessi strati metallici possono avere un valore Q superiore. Quando la frequenza operativa è da 1,0 GHz a 6,0 GHz, il pacchetto LTCC può generalmente raggiungere facilmente 30,0～50,0, il che rende facile ottenere filtri RF a bassa perdita sul substrato LTCC. Il condensatore sandwich realizzato dalla struttura multistrato LTCC può fornire una capacità sufficiente per il sistema RF, pur avendo una maggiore tensione di rottura e migliori prestazioni ESD.

Ci sono molte applicazioni che possono utilizzare LTCC come pacchetto di substrato. I dispositivi LTCC possono essere utilizzati da soli come componenti indipendenti, come i dispositivi di montaggio superficiale (SMT) nelle applicazioni SiP. I substrati LTCC di grandi dimensioni possono essere utilizzati anche come substrati portanti, possono essere incorporati dispositivi passivi e sono forniti collegamenti in ingresso e in uscita sotto forma di LGA o QFN. Grazie alla sua buona conducibilità termica, gli amplificatori di potenza spesso utilizzano LTCC come substrato.

Utilizzare imballaggi passivi integrati

a. Dispositivo passivo integrato (IPD) come dispositivo in SiP

Nei due schemi di imballaggio menzionati sopra-substrato laminato e substrato LTCC, la dimensione del primo è relativamente grande perché è impossibile incorporare molti componenti passivi nel substrato, in particolare condensatori di grande capacità; Quest'ultimo è relativamente parlando abbastanza induttanza e capacità con fattore di alta qualità possono essere fatte nel substrato.

La tendenza attuale è quella di realizzare dispositivi passivi sempre più piccoli e continuare a ridurre le dimensioni complessive di moduli o pacchetti. Finora, la tecnologia dei dispositivi a film sottile - sia su un substrato di silicio o su un substrato di arsenico di gallio - è ancora la tecnologia con la più alta densità di capacità. La tabella 1 confronta la densità di capacità delle tre tecnologie.

Per un condensatore 56pF, in termini di pin, dimensioni e spessore, i dispositivi a film sottile sono più competitivi dei dispositivi discreti. Il fattore di forma più piccolo rende i dispositivi passivi integrati a film sottile più adatti per moduli RF e applicazioni SiP. Per i condensatori di maggiore capacità (ad esempio, superiori a 100pF), i dispositivi discreti hanno ancora vantaggi di dimensione e condensatori di grande capacità saranno montati sul circuito stampato sotto forma di SMT. 01005 dispositivi SMT sono apparsi sul mercato. Questi dispositivi restringibili rendono la dimensione del pacchetto più piccola, ma i loro prezzi sono piuttosto alti, aumentando così il costo del pacchetto.

Scegliendo un substrato appropriato e utilizzando uno strato metallico spesso (come 8um), gli induttori ad alto Q possono essere fabbricati in IPD. La maggior parte dei produttori di semiconduttori comprende il processo di produzione di IPD e questo processo ha prestazioni di costo più elevate.

I blocchi funzionali a radiofrequenza che utilizzano la tecnologia del dispositivo a film sottile, quali filtri, diplexer, balun, ecc., sfruttano appieno i vantaggi del piccolo fattore di forma, in modo che possano essere ampiamente utilizzati nella produzione di modulo o pacchetto RF piccolo e compatto. La densità di capacità indicata nella tabella 1 mostra che, indipendentemente dal fatto che sia utilizzato un substrato di silicio o un substrato di arsenico di gallio, per realizzare il pacchetto più piccolo possono essere utilizzati dispositivi passivi integrati.

b. pacchetto del modulo di dimensione del chip (CSMP) La tendenza della tecnologia di imballaggio è quella di rendere il modulo o SiP più piccolo e più potente. I dispositivi passivi realizzati con tecnologia IPD sono candidati per una maggiore integrazione a causa del loro piccolo fattore di forma. L'integrazione a livello wafer elimina la necessità di substrati portanti tradizionali e i blocchi funzionali RCL e RF integrati sono vicini al chipset. Questo non solo riduce le dimensioni della confezione, ma ha anche minori effetti parassitari e migliori prestazioni elettriche.

In STATS ChipPAC, abbiamo sviluppato una nuova tecnologia che utilizza un grande supporto IPD/silicio come struttura backplane per trasportare altri circuiti integrati (RFIC e/o BBIC) e dispositivi di montaggio superficiale. Tutti i collegamenti a circuito, filtri e balun sono realizzati nel supporto IPD/silicio. Il modulo è costituito da un grande chip IPD (10mm * 10mm * 0.25mm) come piastra inferiore e RFIC e BBIC sono saldati a flip-chip sulla piastra inferiore. Le sfere di saldatura sono disposte lungo entrambi i lati e l'altezza delle sfere dovrebbe essere abbastanza grande da lasciare spazio sufficiente per chip saldati flip-chip sull'IPD.

Man mano che i moduli diventano più piccoli, componenti e circuiti vengono compressi in un'area più piccola. In altre parole, lo spazio del circuito del dispositivo è più piccolo. In questa modalità di integrazione, l'integrità del segnale a volte diventa un problema. Gli strumenti di simulazione elettromagnetica possono essere utilizzati per analizzare le interferenze del circuito chiave e del cablaggio, in modo che le prestazioni elettriche del prodotto confezionato possano essere garantite prima che sia finalmente fabbricato.

Ad esempio, in un pacchetto con chip RF e baseband (modulo CSMP), l'interferenza reciproca tra i canali di trasmissione (TX) e ricezione (RX) e l'interferenza reciproca tra il canale di ricezione (RX) e l'orologio principale della banda base Tutte le interferenze devono essere verificate mediante simulazione elettromagnetica. Ridurre al minimo l'interferenza generata da quest'ultima è particolarmente critica, perché le armoniche dell'orologio di frequenza principale della banda base possono cadere nella banda di frequenza radio, nascondendo così il segnale già debole ricevuto nella comunicazione wireless.

Il pacchetto stack presenta i vantaggi di basso costo, facile produzione e buone prestazioni termiche ed elettriche. È adatto per quasi tutti i moduli di radiofrequenza; Il pacchetto LTCC ha componenti passivi incorporati nel substrato e una dimensione complessiva più piccola, e l'induttanza di alto valore Q e i condensatori di grandi dimensioni possono anche essere incorporati nel substrato LTCC. Inoltre, le buone caratteristiche termiche rendono LTCC ampiamente utilizzato nell'imballaggio del dispositivo dell'amplificatore di potenza; IPD ha un piccolo fattore di forma ed è molto adatto per l'imballaggio del modulo RF. Come portatore della tecnologia IPD, CSMP può fornire il pacchetto più integrato. Sia RFIC che BBIC possono essere integrati in un piccolo pacchetto utilizzando CSMP.