IC 기판 - 무선 주파수 모듈 패키지 기술 연구

무선 통신 분야에서는 칩 스태킹 기술, 패키지에 패키지, 패키지에 패키지, 기타 형태의 응용 시스템 통합 패키지(SiP) 등 다양한 패키지 통합 솔루션이 개발되었다.이러한 기술은 플래시 메모리 제품, 그래픽 프로세서 및 디지털 신호 프로세서에 성공적으로 적용되었으며 무선 주파수 분야에서도 점점 더 많이 사용되고 있습니다. RF 모듈은 송신 및/또는 수신 기능을 갖춘 제품으로 소스 없는 부품, RFIC, 전력 증폭기(PA), 스위치 부품,,전압 조절기, 웨이퍼 등. RFIC/ASIC/BB/MAC과 같은 액티브 부품은 액티브 부품에 비해 크기가 상대적으로 작다.따라서 소스 없는 컴포넌트 (RCL, 필터, 바론, 일치기 등) 의 통합은 전체 모듈 또는 패키지의 크기에 중요한 영향을 미칩니다.

현재 RF 모듈에 사용되는 패키징 캐리어는 크게 세 가지 유형입니다.첫 번째 유형은 중첩 기판입니다. 가격이 저렴하고 제조 공정이 성숙하며 좋은 열 성능과 전기 성능으로 인해 중첩 기판은 기본 전력 증폭기 부품에 사용됩니다.층압 기판은 각종 모듈과 포장 중에서 가장 광범위하게 응용된다.

두 번째는 기저/운반체로 세라믹을 사용하는 저온공소세라믹(LTCC) 기술이다.LTCC는 다층구조, 금속두께가 크고 개전상수가 높은 특징을 갖고있어 고품질인수(Q) 전감과 충분한 용량을 내장할수 있다.

세 번째 유형은 실리콘이나 갈륨비소에 형성된 박막(TF) 패시브 부품으로, 잘 알려진 반도체 공정을 사용해 만들어졌다.이러한 장치를 IPD(통합 소스 없는 장치)라고도 합니다.그것들은 비교적 작은 기생효과와 전기성능파동을 갖고있을뿐만아니라 더욱 높은 전기용량을 갖고있다.이 특성은 소형 모듈 패키지에서 응용할 수 있는 길을 열어준다.

최초의 무선 주파수 모듈은 단일 칩의 지시선 키 협력을 주요 상호 연결 방법으로 사용합니다.이제 지시선 접합, 역방향 용접 및 다중 칩 스택이 RF 모듈에 동시에 사용됩니다.위의 각 모듈은 다양한 상호 연결 방법을 사용하며 각 솔루션의 장점과 단점이 있습니다.이 문서에서는 이러한 다양한 포장 솔루션에 대해 설명합니다.

일반적으로 인쇄회로기판 (PCB) 이라고 불리는 층압기판 패키지 층압기판은 패키지 캐리어에 널리 사용되고 있으며 여전히 패키지 제품의 큰 몫을 차지하고 있다.일반적으로 RF 모듈 패키지에는 2-4 계층만 사용할 수 있습니다.그림 1에서 볼 수 있듯이, 스택된 모듈 제품은 두 개의 칩이 4층 계층 기판에 역용접되어 있다.아울러 0201 표면 장착(SMT) 부품도 SiP 애플리케이션에 설치하고 2단계 회로기판 연결은 BGA 설정을 사용한다.

칩 스태킹 패키지는 이미 플래시 메모리, 사진 및 디지털 IC 제품에서 매우 성공적으로 응용되었다.플래시 메모리 시장에서 우리는 금선 접합을 통해 연결된 다층 칩 (7~8개) 의 수직 스택을 보았다.이러한 패키징 기술은 모듈의 크기를 크게 줄여 응용 제품의 원가를 낮춘다.

그러나 무선 주파수 패키징 과정에서 무선 주파수 성능의 저하, 특히 패키징으로 인한 기생 효과, 예를 들면 지시선 결합의 자감 및 역방향 용접 방법에서 칩과 회로 기판 사이의 간섭을 방지하는 것을 고려할 필요가 있다.이러한 저주파 및 디지털 제품의 패키지는 문제가 아닐 수 있지만 RFIC 칩의 RF 성능에 영향을 미칠 수 있으므로 패키지 설계에서 고려해야 합니다.이 효과는 일반적으로 RCL 회로와 소스 없는 컴포넌트를 사용하여 모델링할 수 있습니다.패키지된 3D 특성의 경우 전자기(EM) 시뮬레이션 도구를 사용하여 모델을 내보낼 수 있습니다.

이러한 모델은 전체 전기 성능을 테스트하기 위해 칩 모델과 함께 사용할 수 있습니다.RF 패키징은 일반적으로 단일 애플리케이션에만 사용됩니다.따라서 자체 IC 모델과 기생 패키지 모델을 포함하여 새 패키지에 대한 시스템 수준의 설계 검증이 필요합니다.

저온 공소 세라믹 모듈 패키지

LTCC 기술은 RCL 또는 해당 기능 블록과 같은 소스 없는 어셈블리를 구현하기 위해 다중 레이어 구조를 사용합니다.각 개전층의 두께는 20um에서 100um 사이이고, 10-20층의 총 스택 두께는 0.5mm에서 1mm 사이이다.각 계층의 개전 상수는 일반적으로 7.0~11.0입니다.감응은 일반적으로 설계 규칙이 허용하는 나선을 통해 이루어집니다.감전의 크기에 따라, 그것은 때때로 많은 층을 통과할 수도 있다.콘덴서도 다층으로 만들어져 더 큰 콘덴서 값을 가질 수 있다.도자기층 사이에 박막 장벽을 넣어 저항기를 만들 수도 있다.

다층 구조에서 나선형과 두꺼운 금속층으로 만든 센서는 더 높은 Q값을 가질 수 있다.LTCC 패키지는 1.0GHz~6.0GHz에서 작동하는 경우 일반적으로 30.0ï½50.0까지 쉽게 작동할 수 있으므로 LTCC 라이닝에서 저손실 RF 필터를 쉽게 구현할 수 있습니다.LTCC 다층 구조로 구현된 메자닌 콘덴서는 RF 시스템에 더 높은 뚫기 전압과 더 나은 ESD 성능과 함께 충분한 용량을 제공할 수 있다.

LTCC를 라이닝 패키지로 사용할 수 있는 많은 애플리케이션이 있습니다.LTCC 부품은 SiP 애플리케이션의 표면 마운트 부품(SMT)과 같은 독립형 구성 요소로 개별적으로 사용할 수 있습니다.대형 LTCC 기판은 또한 패브릭 기판으로 사용될 수 있으며, 소스 없는 부품을 내장할 수 있으며 LGA 또는 QFN 형식의 입력 및 출력 연결을 제공합니다.열전도성이 뛰어나기 때문에 전력 증폭기 부품은 LTCC를 라이닝으로 사용하는 경우가 많다.

통합 패브릭 패키지 사용

a. SiP의 장치로 통합된 소스 없는 장치(IPD)

상술한 두 가지 패키지 방안 중 중첩기판과 LTCC 기판의 크기는 상대적으로 크다. 왜냐하면 기판에 많은 무원소자, 특히 대용량 콘덴서를 내장할 수 없기 때문이다.후자는 상대적으로 안감에서 고품질 인수를 가진 전감과 용량을 충분히 만들 수 있다.

현재의 추세는 점점 더 작은 소스 없는 부품을 만들고 모듈이나 패키지의 전체 크기를 계속 줄이는 것이다.지금까지 실리콘 라이닝이나 갈륨 비소 라이닝의 박막 부품 기술은 여전히 용량 밀도가 가장 높은 기술이다.표1은 이 세 가지 기술의 용량 밀도를 비교하였다.

56pF 콘덴서의 경우 핀, 크기, 두께의 경우 박막 부품이 분리 부품보다 경쟁력이 있습니다.작은 모양 계수는 박막 통합 패시브 부품을 RF 모듈 및 SiP 응용 프로그램에 더 적합하게 만듭니다.더 큰 용량의 콘덴서 (예: 100pF 이상) 의 경우 분리 부품은 여전히 크기가 우수하며 대용량 콘덴서도 SMT 형식으로 회로 기판에 설치됩니다.01005 SMT 부품이 시장에 출시되었습니다.이러한 수축 장치는 패키지 크기를 더 작게 만들지만 가격이 상당히 높아 패키지 비용을 증가시킵니다.

적절한 라이닝을 선택하고 두꺼운 금속층 (예: 8um) 을 사용하여 IPD에서 고Q 센서를 만들 수 있습니다.대부분의 반도체 제조업체는 IPD의 생산 공정을 알고 있으며, 이 공정은 더 높은 성가비를 가지고 있다.

필터, 듀플렉서, 밸런스-불균형 변환기 등 필름 부품 기술을 적용한 무선 주파수 기능 블록은 소형화의 장점을 충분히 활용하여 소형의 컴팩트한 무선 주파수 모듈이나 패키지를 만드는 데 널리 사용될 수 있다.표 1에 표시된 용량 밀도는 실리콘 라이닝을 사용하든 갈륨 비소 라이닝을 사용하든 통합 패키징을 사용하여 최소 패키징을 만들 수 있음을 나타냅니다.

b. 칩 크기 모듈 패키징(CSMP) 패키징 기술의 추세는 모듈 또는 SiP를 더 작고 강하게 만드는 것입니다.IPD 기술로 만든 패시브 부품은 작은 모양 계수 때문에 더 높은 집적도의 후보자가 된다.웨이퍼 레벨 통합은 기존 캐리어 기판에 대한 요구를 없애고 RCL과 RF 기능 블록을 칩셋에 가깝게 통합했다.이는 패키징 크기를 줄일 뿐만 아니라 기생 효과도 줄이고 전기 성능도 향상시킵니다.

STATS ChipPAC에서는 다른 집적회로(RFIC 및/또는 BBIC) 및 표면 장착 장비를 탑재하기 위해 대형 IPD/실리콘 캐리어를 백플레인 구조로 사용하는 신기술을 개발했습니다.모든 회로 연결, 필터 및 밸런싱 - 불균형 변환기는 IPD/실리콘 캐리어를 사용합니다.모듈은 큰 IPD 칩 (10mm * 10mm * 0.25mm) 을 바닥판으로 구성하고 RFIC와 BBIC를 거꾸로 장착하여 바닥판에 용접합니다.용접구는 양쪽을 따라 배치되며 IPD의 역장착 칩 용접 칩에 충분한 공간을 확보하기 위해 용접구의 높이가 충분해야 합니다.

모듈이 작아짐에 따라 구성 요소와 회로는 더 작은 영역으로 압축됩니다.다시 말해서, 부품 회로의 간격은 더 작다.이런 적분 모드에서 신호의 완전성은 때때로 문제가 될 수 있다.전자기 시뮬레이션 도구는 핵심 회로와 케이블 연결 간섭을 분석하여 최종 제조 전에 패키징 제품의 전기 성능을 보장할 수 있습니다.

예를 들어, RF 및 베이스밴드 칩이 모두 포함된 패키지(CSMP 모듈)에서는 송신(TX)과 수신(RX) 채널 간의 상호 간섭, 수신(RX)이 있습니다.베이스밴드 기본 주파수 클럭 고조파가 무선 주파수 대역에 떨어질 수 있기 때문에 무선 통신에 이미 약한 수신 신호를 숨길 수 있기 때문에 후자의 간섭을 최소화하는 것이 특히 중요합니다.

결어 스태킹 패키지는 저렴한 비용, 쉬운 제조 및 우수한 열 및 전기 성능의 장점을 제공합니다.이는 거의 모든 무선 주파수 모듈에 적용됩니다.LTCC 패키지에는 베이스보드에 내장된 소스 없는 컴포넌트가 있으며 작은 전체 크기, 높은 Q값 인덕션 및 큰 전기 용기도 LTCC 베이스보드에 내장될 수 있습니다.또한 좋은 열 특성으로 LTCC는 전력 증폭기 부품 패키지에 널리 적용되었습니다.IPD는 작은 모양 계수를 가지고 있으며 RF 모듈 패키지에 적합합니다.CSMP는 IPD 기술의 매개체로서 가장 통합된 패키지를 제공할 수 있다.RFIC와 BBIC 모두 CSMP를 사용하여 작은 패키지에 통합할 수 있습니다.