Substrat IC - Discuss about RF module packaging technology

Dalam medan komunikasi tanpa wayar, banyak penyelesaian integrasi pakej yang berbeza telah dikembangkan, termasuk teknologi tumpuan cip, pakej pada pakej, pakej dalam pakej dan bentuk lain pakej sistem aplikasi yang terintegrasi (SiP). Teknologi ini telah berjaya dilaksanakan dalam produk ingatan flash, pemproses grafik, dan pemproses isyarat digital, dan aplikasi mereka dalam medan frekuensi radio juga mendapat semakin banyak kajian. Modul RF adalah produk dengan fungsi penghantaran dan/atau menerima, yang termasuk tetapi tidak terbatas kepada peranti pasif, RFIC, penyampai kuasa (PA), peranti tukar, peraturan tegangan, kristal, dll. Dibandingkan dengan peranti pasif, peranti aktif seperti RFIC/ASIC/BB/MAC adalah relatif kecil dalam saiz. Oleh itu, integrasi komponen pasif (RCL, penapis, balun, pemadam, dll.) mempunyai kesan penting pada saiz seluruh modul atau pakej.

Pada masa ini, terdapat kebanyakan tiga jenis pembawa pakej yang digunakan dalam modul RF. Jenis pertama ialah substrat laminasi, yang digunakan dalam peranti penyampai kuasa asas kerana harga rendah mereka, proses penghasilan dewasa, dan ciri-ciri panas dan elektrik yang baik. Substrat laminasi telah digunakan secara luas dalam pelbagai modul dan pakej.

Yang kedua ialah teknologi keramik dengan suhu rendah (LTCC), yang menggunakan keramik sebagai substrat/pembawa. Kerana struktur berbilang-lapisan, logam tebal dan konstan dielektrik tinggi, induktansi faktor kualiti tinggi (Q) dan kapasitasi yang cukup besar boleh dimasukkan ke dalam LTCC.

Jenis ketiga adalah peranti pasif filem tipis (TF) yang terbentuk pada silikon atau arsenid galium, yang dibuat menggunakan proses semikonduktor yang diketahui. Peranti ini kadang-kadang disebut sebagai peranti pasif terintegrasi (IPD). Mereka tidak hanya mempunyai kesan parasit kecil dan perubahan prestasi elektrik, tetapi juga mempunyai kapasitas yang lebih tinggi. Karakteristik ini membuka jalan untuk aplikasinya dalam pakej modul yang lebih kecil.

Modul RF asal menggunakan ikatan wayar cip tunggal sebagai kaedah sambungan utama. Hari ini, ikatan wayar, tentera terbalik, dan tumpukan chip-berbilang digunakan dalam modul RF pada masa yang sama. Setiap modul di atas menggunakan pelbagai kaedah sambungan, dan setiap penyelesaian mempunyai keuntungan dan kelemahan. Artikel ini akan memperkenalkan penyelesaian pakej berbeza ini secara terpisah.

Pakej substrat laminat · Laminat biasanya disebut sebagai papan sirkuit cetak (PCB), yang telah digunakan secara luas dalam pembawa pakej, dan mereka masih memegang bahagian besar produk pakej. Secara umum, hanya dua hingga empat lapisan yang cukup untuk pakej modul RF. Seperti yang ditampilkan dalam Gambar 1, produk modul tumpukan, dua cip ditegakkan balik pada substrat laminat empat lapisan. Pada masa yang sama, peranti lekap permukaan 0201 (SMT) juga diletak dalam aplikasi SiP, dan sambungan papan sirkuit tahap kedua menggunakan tetapan BGA.

Pakej stack Chip telah sangat berjaya digunakan dalam ingatan flash, fotografi dan produk IC digital. Dalam pasar ingatan flash, kita telah melihat tumpukan menegak cip berbilang lapisan (7 hingga 8) terhubung dengan ikatan wayar emas. Teknologi pakej ini mengurangkan saiz modul, dengan itu mengurangkan kos produk aplikasi.

Bagaimanapun, dalam proses pakej RF, perlu mempertimbangkan untuk mencegah degradasi prestasi RF, terutama kesan parasitik disebabkan oleh pakej, seperti induksi diri ikatan wayar, dan gangguan antara cip dan papan sirkuit dalam kaedah penyelamatan terbalik. Pakej ini untuk produk-frekuensi rendah dan digital mungkin bukan masalah, tetapi ia mempengaruhi prestasi RF cip RFIC dan mesti dianggap dalam desain pakej. Kesan ini biasanya boleh dipodelkan menggunakan sirkuit RCL dan komponen pasif. Untuk ciri-ciri tiga dimensi pakej, alat simulasi elektromagnetik (EM) boleh digunakan untuk menghasilkan model ini.

Model ini boleh digunakan dengan model cip untuk menguji prestasi elektrik keseluruhan. Pakej RF biasanya didedikasikan kepada aplikasi tunggal. Oleh itu, pengesahan reka-reka aras sistem diperlukan untuk pakej baru, termasuk model IC sendiri dan model pakej parasitik.

Pakej modul keramik yang disalakan dengan suhu rendah

Teknologi LTCC menggunakan struktur berbilang lapisan untuk melaksanakan komponen pasif, seperti RCL atau blok fungsi yang sepadan. Ketebusan lapisan dielektrik setiap lapisan berlainan dari 20um hingga 100um, dan keseluruhan tebal tumpukan 10-20 lapisan berlainan dari 0.5mm hingga 1mm. Pemegang dielektrik setiap lapisan biasanya 7.0 hingga 11.0. Indukti biasanya diketahui melalui spiral yang dibenarkan oleh peraturan desain. Dengan ukuran induktan, kadang-kadang ia boleh melewati banyak lapisan. Kapasitor juga dibuat dalam lapisan berbilang dan boleh mempunyai nilai kapasitasi yang lebih besar. Penghalang filem halus juga boleh ditambah antara lapisan keramik untuk membuat resisten.

Dalam struktur berbilang lapisan, induktor yang dibuat dari lapisan logam spiral dan tebal boleh mempunyai nilai Q yang lebih tinggi. Apabila frekuensi operasi adalah 1.0 GHz hingga 6.0 GHz, pakej LTCC secara umum boleh dengan mudah mencapai 30.0～50.0, yang memudahkan untuk mencapai penapis RF kehilangan rendah pada substrat LTCC. Kondensator sandwich yang disedari oleh struktur LTCC pelbagai lapisan boleh menyediakan kapasitas yang cukup untuk sistem RF, sementara mempunyai tenaga pecahan yang lebih tinggi dan prestasi ESD yang lebih baik.

Terdapat banyak aplikasi yang boleh guna LTCC sebagai pakej substrat. Peranti LTCC boleh digunakan sendirian sebagai komponen sendirian, seperti peranti lekap permukaan (SMT) dalam aplikasi SiP. Substrate LTCC yang besar juga boleh digunakan sebagai substrat pembawa, peranti pasif boleh disertai, dan sambungan input dan output dalam bentuk LGA atau QFN disediakan. Kerana konduktiviti panasnya yang baik, peranti penyampai kuasa sering menggunakan LTCC sebagai substrat.

Guna pakej peranti pasif terpasang

a. Peranti pasif terpasang (IPD) sebagai peranti dalam SiP

Dalam dua skema pakej yang disebut substrat laminasi atas dan substrat LTCC, saiz yang pertama adalah relatif besar kerana mustahil untuk memasukkan banyak komponen pasif dalam substrat, terutama kapasitas-besar kondensator; yang terakhir adalah relatif bercakap cukup induktan dan kapasitas dengan faktor kualiti tinggi boleh dibuat dalam substrat.

Tenderasi semasa adalah untuk membuat peranti pasif yang lebih kecil dan lebih kecil dan terus mengurangi saiz keseluruhan modul atau pakej. Sejauh ini, teknologi peranti film tipis-sama ada pada substrat silikon atau substrat arsenik gallium-masih teknologi dengan ketepatan kapasitasi tertinggi. Jadual 1 membandingkan ketepatan kapasitasi bagi tiga teknologi.

For a 56pF capacitor, in terms of pins, size, and thickness, thin-film devices are more competitive than discrete devices. Faktor bentuk yang lebih kecil membuat peranti pasif terpasang-filem tipis lebih sesuai untuk modul RF dan aplikasi SiP. Untuk kondensator-kapasitas yang lebih besar (contohnya, lebih dari 100pF), peranti diskret masih mempunyai keuntungan saiz, dan kondensator-kapasitas yang besar juga akan diletak pada papan sirkuit dalam bentuk SMT. 01005 peranti SMT telah muncul di pasar. Peranti ini mengurangi membuat saiz pakej lebih kecil, tetapi harga mereka cukup tinggi, dengan itu meningkatkan biaya pakej.

Dengan memilih substrat yang sesuai dan menggunakan lapisan logam tebal (seperti 8um), induktor Q-tinggi boleh dibuat dalam IPD. Kebanyakan pembuat semikonduktor memahami proses produksi IPD, dan proses ini mempunyai prestasi biaya yang lebih tinggi.

Blok fungsi frekuensi radio menggunakan teknologi peranti filem tipis, seperti penapis, diplekser, balun, dll., mengambil keuntungan penuh dari faktor bentuk kecil, sehingga ia boleh digunakan secara luas dalam memproduksi modul atau pakej RF kecil dan kompat. Kepadatan kapasitas yang dipaparkan dalam Jadual 1 menunjukkan sama ada substrat silikon atau substrat arsenik galium digunakan, peranti pasif terintegrasi boleh digunakan untuk membuat pakej yang paling kecil.

b. Pakej modul saiz Chip (CSMP) Tenderasi teknologi pakej adalah untuk membuat modul atau SiP lebih kecil dan lebih kuat. Peranti pasif yang dibuat oleh teknologi IPD adalah calon untuk integrasi yang lebih tinggi disebabkan faktor bentuk kecil mereka. Integrasi aras-wafer membuang keperluan untuk substrat pembawa tradisional, dan blok fungsi RCL dan RF yang terintegrasi dekat dengan set cip. Ini tidak hanya mengurangkan saiz pakej, tetapi juga mempunyai kesan parasit yang lebih kecil dan prestasi elektrik yang lebih baik.

Di STATS ChipPAC, kami telah mengembangkan teknologi baru yang menggunakan pembawa IPD/silikon yang besar sebagai struktur pesawat belakang untuk membawa sirkuit integrasi lain (RFIC dan/atau BBIC) dan peranti lekap permukaan. Semua sambungan sirkuit, penapis, dan balun dibuat dalam pembawa IPD/silikon. Modul ini terdiri dari cip IPD yang besar (10mm*10mm*0.25mm) sebagai plat bawah, dan RFIC dan BBIC ditujukan pada plat bawah. Bola tentera diatur sepanjang kedua-dua sisi, dan tinggi bola sepatutnya cukup besar untuk meninggalkan cukup ruang untuk cip tentera flip-chip pada IPD.

Bila modul menjadi lebih kecil, komponen dan sirkuit dipampat dalam kawasan yang lebih kecil. Dengan kata lain, jarak sirkuit peranti lebih kecil. Dalam mod integrasi ini, integriti isyarat kadang-kadang menjadi masalah. Alat simulasi elektromagnetik boleh digunakan untuk menganalisis sirkuit kunci dan gangguan kabel, sehingga prestasi elektrik produk pakej boleh dijamin sebelum ia akhirnya dihasilkan.

Contohnya, dalam pakej dengan cip RF dan band dasar (modul CSMP), gangguan antara saluran penghantaran (TX) dan menerima (RX), dan gangguan antara saluran menerima (RX) dan jam band dasar utama Semua gangguan mesti disahkan dengan simulasi elektromagnetik. Mengurangi gangguan yang dijana oleh yang terakhir adalah khusus kritikal, kerana harmonik jam frekuensi utama band pangkalan mungkin jatuh dalam band laluan frekuensi radio, dengan itu menyembunyikan isyarat yang sudah lemah diterima dalam komunikasi tanpa wayar.

Perhatian akhir · Pakej tumpukan mempunyai keuntungan dari biaya rendah, penghasilan mudah, dan prestasi panas dan elektrik yang baik. Ia sesuai untuk hampir semua modul frekuensi radio; pakej LTCC mempunyai komponen pasif dibina ke dalam substrat, dan saiz keseluruhan yang lebih kecil, dan induksi nilai Q tinggi dan kondensator besar juga boleh dibina ke dalam substrat LTCC. Selain itu, ciri-ciri panas yang baik membuat LTCC digunakan secara luas dalam pakej peranti penyampai kuasa; IPD mempunyai faktor bentuk kecil dan sangat sesuai untuk pakej modul RF. Sebagai pembawa teknologi IPD, CSMP boleh menyediakan pakej yang paling terintegrasi. Kedua-dua RFIC dan BBIC boleh disertai dalam pakej kecil menggunakan CSMP.