Подложка ИС - исследование технологии герметизации радиочастотных модулей

В области беспроводной связи было разработано множество различных решений по интеграции корпусов, включая технологию укладки микросхем, упаковку в корпус, упаковку в корпус и другие формы системной интегрированной упаковки (SIP). Эти технологии успешно применяются в продуктах флэш-памяти, графических процессорах и цифровых сигнальных процессорах, и их применение в области радиочастот также становится все более и более исследованным.

Радиочастотные модули - это изделия с передающими и/или приемными функциями, к которым относятся, в частности, пассивные устройства, радиосхемы, усилители мощности (УМ), коммутационные устройства, стабилизаторы напряжения, кристаллы и др. По сравнению с пассивными устройствами активные устройства, такие как RFIC/ASIC/BB/MAC, имеют относительно небольшие размеры. Поэтому интеграция пассивных компонентов (RCL, фильтр, балун, согласователь и т.д.) оказывает существенное влияние на размеры всего модуля или пакета.

В настоящее время в радиочастотных модулях используются в основном три типа упаковочных носителей. Первый тип - ламинированные подложки, которые используются в базовых устройствах усилителей мощности благодаря низкой цене, отработанному технологическому процессу, хорошим тепловым и электрическим свойствам. Ламинированные подложки получили наиболее широкое распространение в различных модулях и корпусах.

Вторая технология - технология низкотемпературной обожженной керамики (LTCC), в которой в качестве подложки/носителя используется керамика. Благодаря многослойной структуре, большой толщине металла и высокой диэлектрической проницаемости в LTCC можно встраивать индуктивность с высоким коэффициентом добротности (Q) и достаточно большую емкость.

Третий тип - тонкопленочные (ТП) пассивные устройства, сформированные на кремнии или арсениде галлия, которые изготавливаются по известному полупроводниковому процессу. Такие устройства иногда называют интегральными пассивными устройствами (ИПУ). Они обладают не только малыми паразитными эффектами и флуктуациями электрических характеристик, но и более высокой емкостью. Эта характеристика открыла путь для их применения в модульных корпусах меньшего размера.

В качестве основного метода межсоединения в оригинальных ВЧ-модулях использовалось проводное соединение одной микросхемы. Сегодня в ВЧ-модулях одновременно используются проводное соединение, обратная пайка и многокристальная укладка. В каждом из перечисленных модулей используются различные методы межсоединения, и каждое решение имеет свои преимущества и недостатки. В данной статье мы рассмотрим эти различные упаковочные решения по отдельности.

Упаковка на ламинированной подложке

Ламинатами принято называть печатные платы (ПП), которые широко использовались в носителях упаковки и до сих пор прочно занимают значительную долю упакованных изделий. Как правило, для упаковки радиочастотных модулей достаточно всего двух-четырех слоев. Как показано на рис. 1, в модульном изделии, состоящем из двух микросхем, две микросхемы спаиваются встык на четырехслойной ламинированной подложке. При этом в SiP-приложениях также монтируются устройства поверхностного монтажа (SMT) 0201, а для соединения с печатной платой второго уровня используется BGA-вывод.

Упаковка чип-стэков очень успешно применяется в изделиях флэш-памяти, фотографических и цифровых ИС. На рынке флэш-памяти мы видим вертикальный стек многослойных микросхем (7-8 штук), соединенных между собой золотой проволокой. Такая технология упаковки позволяет значительно уменьшить размеры модуля и тем самым снизить стоимость прикладного продукта.

Однако в процессе упаковки ВЧ-изделий необходимо учитывать необходимость предотвращения ухудшения их характеристик, особенно паразитных эффектов, вызванных упаковкой, таких как самоиндукция проволочного соединения и интерференция между микросхемой и печатной платой при обратном способе пайки. Для низкочастотных и цифровых изделий такие упаковки могут не представлять проблемы, однако они влияют на ВЧ характеристики микросхемы RFIC и должны быть учтены при проектировании упаковки. Обычно этот эффект можно смоделировать с помощью RCL-цепей и пассивных компонентов. Для получения трехмерных характеристик упаковки можно использовать средства электромагнитного (ЭМ) моделирования.

Эти модели могут быть использованы вместе с моделями микросхем для проверки общих электрических характеристик. ВЧ-корпус обычно предназначен для одного приложения. Поэтому для нового пакета требуется верификация конструкции на системном уровне, включая модель собственной ИС и модель паразитного пакета.

Модульный корпус из низкотемпературной керамики совместного обжига

Технология LTCC использует многослойную структуру для реализации пассивных компонентов, таких как RCL или соответствующие функциональные блоки. Толщина диэлектрического слоя каждого слоя составляет от 20 до 100 мм, а общая толщина стопки из 10-20 слоев - от 0,5 до 1 мм. Диэлектрическая проницаемость каждого слоя обычно составляет от 7,0 до 11,0. Индуктивность обычно реализуется через спираль, допускаемую правилами проектирования. С учетом величины индуктивности она иногда может проходить через множество слоев. Конденсаторы также выполняются в несколько слоев и могут иметь большие значения емкости. Для изготовления резисторов между керамическими слоями также могут быть добавлены тонкопленочные барьеры.

В многослойной структуре индукторы, изготовленные из спирали и толстых металлических слоев, могут иметь более высокое значение Q. При рабочей частоте от 1,0 ГГц до 6,0 ГГц корпус LTCC, как правило, может легко достигать 30,0～50,0, что позволяет легко создавать ВЧ-фильтры с малыми потерями на подложке LTCC. Многослойный конденсатор, реализованный на основе многослойной структуры LTCC, может обеспечить достаточную емкость для ВЧ-системы, при этом обладая более высоким напряжением пробоя и лучшими характеристиками ESD.

Существует множество приложений, в которых LTCC может использоваться в качестве подложки. Устройства LTCC могут использоваться в качестве самостоятельных компонентов, например, как устройства поверхностного монтажа (SMT) в SiP-приложениях. Большие подложки LTCC могут также использоваться в качестве несущих подложек, в них могут быть встроены пассивные устройства, а также предусмотрены входные и выходные разъемы в виде LGA или QFN. Благодаря хорошей теплопроводности в устройствах усилителей мощности в качестве подложки часто используется LTCC.

Использование интегрированной упаковки пассивных устройств

(1) Интегрированное пассивное устройство (ИПУ) как устройство в SIP

В двух вышеупомянутых схемах упаковки - на ламинированной подложке и на LTCC-подложке - размеры первой относительно велики, поскольку в нее невозможно встроить большое количество пассивных компонентов, особенно конденсаторов большой емкости; о второй же можно сказать относительно много, поскольку в подложке могут быть выполнены индуктивность и емкость с высоким коэффициентом качества.

Современная тенденция состоит в том, чтобы делать все более компактные пассивные устройства и продолжать уменьшать габаритные размеры модулей или корпусов. Пока технология тонкопленочных устройств - на кремниевой подложке или на подложке из мышьяковистого галлия - остается технологией с самой высокой плотностью емкости. В табл. 1 приведено сравнение плотности емкости трех технологий.

Для конденсатора емкостью 56 пФ с точки зрения выводов, размеров и толщины тонкопленочные устройства более конкурентоспособны, чем дискретные. Меньший форм-фактор делает тонкопленочные интегральные пассивные устройства более подходящими для ВЧ-модулей и SiP-приложений. Для конденсаторов большой емкости (например, более 100 пФ) дискретные устройства все еще имеют преимущества в размерах, и конденсаторы большой емкости также будут устанавливаться на печатную плату в виде SMT. На рынке появились 01005 SMT-устройства. Эти устройства уменьшают размеры корпуса, но их цена довольно высока, что увеличивает стоимость корпуса.

При выборе подходящей подложки и использовании толстого металлического слоя (например, 8um) можно изготавливать высокодобротные индукторы в IPD. Большинство производителей полупроводников используют IPD, и этот процесс имеет более высокие стоимостные характеристики.

Радиочастотные функциональные блоки, изготовленные по технологии тонкопленочных устройств, такие как фильтры, диплексоры, балуны и т.д., в полной мере используют преимущества малого форм-фактора, поэтому они могут широко применяться при изготовлении небольших и компактных радиочастотных модулей или корпусов. Плотность емкости, приведенная в табл. 1, показывает, что независимо от того, используется ли кремниевая подложка или подложка из мышьяковистого галлия, интегральные пассивные устройства могут быть использованы для изготовления самого компактного корпуса.

(2) Упаковка модулей размером с чип (CSMP)

Тенденция развития упаковочных технологий состоит в том, чтобы сделать модуль или SiP меньше и мощнее. Пассивные устройства, изготовленные по технологии IPD, являются кандидатами на более высокую степень интеграции благодаря своему малому форм-фактору. Интеграция на уровне пластины устраняет необходимость в традиционных несущих подложках, а интегрированные функциональные блоки RCL и RF находятся в непосредственной близости от чипсета. Это позволяет не только уменьшить размеры корпуса, но и снизить паразитные эффекты и улучшить электрические характеристики.

В компании STATS ChipPAC разработана новая технология, в которой большой IPD/кремниевый носитель используется в качестве объединительной платы для размещения других интегральных схем (RFIC и/или BBIC) и устройств поверхностного монтажа. Все соединения схем, фильтры и балуны выполняются в IPD/кремниевом носителе. Модуль состоит из большой микросхемы IPD (10 мм*10 мм*0,25 мм) в качестве нижней пластины, а RFIC и BBIC привариваются к нижней пластине методом флип-чип. Шарики припоя расположены вдоль обеих сторон, причем высота шариков должна быть достаточно большой, чтобы оставить достаточно места для припаивания микросхем на IPD.

По мере уменьшения размеров модулей компоненты и схемы сжимаются на меньшей площади. Другими словами, зазор в цепи устройства становится меньше. При таком режиме интеграции иногда возникает проблема целостности сигнала. Средства электромагнитного моделирования могут быть использованы для анализа помех в ключевых цепях и разводке, что позволяет гарантировать электрические характеристики упакованного изделия еще до его окончательного изготовления.

Например, в корпусе, содержащем ВЧ- и базовые микросхемы (модуль CSMP), взаимные помехи между каналами передачи (TX) и приема (RX), а также взаимные помехи между каналом приема (RX) и основным тактовым генератором базовой полосы Все помехи должны быть проверены с помощью электромагнитного моделирования. Минимизация помех, создаваемых последним каналом, особенно важна, поскольку гармоники основной частоты базового канала могут попадать в полосу пропускания радиочастоты, тем самым маскируя и без того слабый принимаемый сигнал в беспроводной связи.

Заключительные замечания

Преимуществами стекового пакета являются низкая стоимость, простота изготовления, хорошие тепловые и электрические характеристики. Он подходит практически для всех радиочастотных модулей; пакет LTCC имеет встроенные в подложку пассивные компоненты и меньшие габаритные размеры, а индуктивность с высоким значением Q и большие конденсаторы также могут быть встроены в подложку LTCC. Кроме того, благодаря хорошим тепловым характеристикам LTCC широко используется для упаковки устройств усилителей мощности; IPD имеет малый форм-фактор и очень подходит для упаковки ВЧ-модулей. Являясь носителем технологии IPD, CSMP может обеспечить наиболее интегрированную упаковку. С помощью CSMP в небольшой корпус можно интегрировать как RFIC, так и BBIC.