- RF射頻系統(tǒng)級封裝
- SMD電容的焊盤和互連線效應(yīng)
- 互連線容差的阻抗特性和引線鍵合電感
- BBIC和RFIC主時鐘線之間的串?dāng)_
如果所要求的投放市場的時間較短，這種方法會有一定的優(yōu)勢。此外，由于組裝前可以對各單個部件(IC或SMD元件)進(jìn)行測試，我們對板級組裝產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)正常功能具有足夠的信心。另外，在RF系統(tǒng)中，各類元件采用不同的技術(shù)制作而成，例如BBIC采用CMOS技術(shù)、收發(fā)機(jī)采用SiGe和BiCMOS技術(shù)、RF開關(guān)采用GaAs技術(shù)等。系統(tǒng)芯片(SOC)的優(yōu)勢是把所有功能整合在同一塊芯片上，但卻受到各種IC技術(shù)的限制，因此不能有效利用上述各項技術(shù)的優(yōu)勢。系統(tǒng)級封裝(SiP)可以對各種不同技術(shù)的不同電、熱和機(jī)械性能要求進(jìn)行權(quán)衡，最終獲得最佳的性能。
由于成本和性能方面的原因，在管芯中使用大量電感和電容是不實際的。使用片外SMD電感通常能夠獲得更好的Q因數(shù)，并且片外SMD電感覆蓋了較寬的電感范圍，與典型要求相匹配。由于大去耦電容所占面積過大，把它制作在管芯里將增加成本壓力。我們制作出一種有效的RF系統(tǒng)/子系統(tǒng)，并證實把一定量的無源元件按照SMD形式進(jìn)行封裝的方法在未來幾年中仍是最具吸引力的方法。
板級封裝方法已在業(yè)界廣泛應(yīng)用，還有一種發(fā)展趨勢是把整體RF系統(tǒng)制作在很小的外形尺寸中。IC尺寸的縮小在技術(shù)方面嚴(yán)格遵守摩爾定律(每18個月尺寸縮小一半)的發(fā)展規(guī)律，但在經(jīng)濟(jì)方面，為使IC尺寸不斷減小，卻把大量資金投入到新型IC產(chǎn)品的設(shè)計和制作中。此外，芯片尺寸的下降對系統(tǒng)面積來說并不十分重要，因為通常情況下，大多數(shù)SiP產(chǎn)品中的有源器件(IC封裝)都不會在電路板中占據(jù)過多的面積。
在典型的RF設(shè)計中，60%-70%的系統(tǒng)面積都被無源元件(如RCL、濾波器、平衡-非平衡混頻器)所占據(jù)。為了降低產(chǎn)品的整體尺寸，迫切需要縮小這些無源元件的尺寸。在過去的幾年中，SMD電感和電容的密度得到了明顯改進(jìn)。目前市場上購買的大都是01005(250μm×125μm本征區(qū)域)SMD電感和電容元件，這種產(chǎn)品對于RF應(yīng)用來說已經(jīng)足夠了。
那么對于板級設(shè)計方法來說，下一階段的發(fā)展方向是什么？可不可以使用這種方法制作出更小外形因數(shù)的SiP產(chǎn)品？使用更小尺寸的SMD無源元件無疑是降低系統(tǒng)整體尺寸的好方法，但是必須以保證成本效益為前提。此時的問題是，01005SMD的組裝成本仍然居高不下(4倍于0201部件)，而01005部件所使用的元件價格也相當(dāng)高(4倍于0201部件)。
以硅技術(shù)為基礎(chǔ)的集成無源器件(IPD)成為另一種可能的解決方案。由于可實現(xiàn)電容和電感的高密度排列，IPD基本上可以提供與較小SMD元件相同的外形因數(shù)，并且價格頗具吸引力。然而，如果只集成幾個SMD，使用IPD技術(shù)就不具備什么優(yōu)勢了。但是如果集成到IPD系統(tǒng)中的SMD元件數(shù)超過10個，或者如果RFSiP產(chǎn)品中還要使用其它無源功能電路(濾波器/平衡-非平衡混頻器)，IPD解決方案就顯得頗具優(yōu)勢了。總之，對于濾波器件來說，采用硅IPD方案可使產(chǎn)品縮小2-3倍，而對于平衡-非平衡轉(zhuǎn)換器件來說，采用硅IPD方案可使器件縮小3-4倍，且具有相同的功能特性。
為了尋求01005元件的低成本解決方案，人們把先前板級解決方案中使用的所有部件都集成到單個封裝中(如圖1所示)。這種方法通過把芯片直接連接到襯底上，減少了單個封裝的冗余面積。這種方法的重要作用是縮短了芯片-芯片和芯片-無源元件(RCL/濾波器/平衡-非平衡轉(zhuǎn)換器)之間的互連長度，從而實現(xiàn)了良好的電特性。
[page]SiP設(shè)計比板級方法的互連長度更短?；ミB線的縮短一方面可使電路性能得到改善(降低互連損耗、減少延遲和寄生效應(yīng))；另一方面可能增大互連線-互連線、元件-元件以及任何“相鄰”元件之間的耦合/串?dāng)_。對于板級應(yīng)用來說這些相互作用不存在問題，因為板級封裝中部件/元件排列的相對較遠(yuǎn)。
在通過芯片疊層結(jié)構(gòu)實現(xiàn)數(shù)個IC垂直安裝的3D封裝中，RFSiP應(yīng)用還要考慮不同芯片之間的串?dāng)_。帶有電磁屏蔽(EMI)功能的功率放大器通常進(jìn)行單獨(dú)封裝以保證良好的隔離性。一般情況下不把它們集成在SiP中，本文對此不做討論。在后文中，我們將著重討論SiP產(chǎn)品中常見的問題。
SMD電容的焊盤和互連線效應(yīng)
雖然01005SMD電容已面市一段時間，但是因為元件價格和組裝成本較高，并沒有成為RFSiP的普遍選擇。我們對帶有焊盤分布和互連線的0201SMD電容進(jìn)行了研究。
我們可以從不同SMD銷售商那里獲得0201電容的S參數(shù)，RFSiP設(shè)計師可以從銷售商的產(chǎn)品目錄中選擇所需的SMD電容(例如10pF)。此外，供應(yīng)商還提供SMD元件的低頻(接近DC)電容值。由于存在寄生效應(yīng)，不同頻率下獲得的等效電容與接近DC頻率下獲得的電容不同。因此RFSiP設(shè)計師必須對電容能否滿足其應(yīng)用頻段(如2.4GHz)進(jìn)行檢測。最好的檢測方式是把銷售商提供的S參數(shù)值用于系統(tǒng)級模擬過程，從而對其進(jìn)行鑒定。
電路原理圖和與其相對應(yīng)的實際電路之間的主要差異在于，實際電路/布線中表示出了連接和支撐SMD的互連和焊盤(附加部分)。在RF頻率下(如2.5GHz)，這些附加部分可能對電容產(chǎn)生“失調(diào)”作用，這種作用不容忽視。圖2給出了這種現(xiàn)象的實例。0201元件的焊盤位于頂層(M1)，它比本征0201占用面積稍大，從而保證較高的組裝成品率。第二層(M2)通常為固體接地平面層，M1和M2之間是介質(zhì)層，其厚度值具有一定的范圍要求。當(dāng)介質(zhì)層厚度從150.0μm向100.0μm和60.0μm轉(zhuǎn)變時，焊盤電容從77.8fF向90.6fF和113.0fF轉(zhuǎn)變。如果把這些焊盤用于1.0pFSMD電容，包括焊盤電容在內(nèi)的整體電容值將增大11.3%(使用60.0μm介質(zhì))，這個增大后的電容足以對RF電路的功能起到微調(diào)作用。
互連線的長度對BBIC封裝或大多數(shù)低頻應(yīng)用來說不會產(chǎn)生明顯的影響，但對RF應(yīng)用影響較大，在RFSiP設(shè)計中需要對此重點加以考慮。在電磁(EM)模擬過程中應(yīng)關(guān)注互連線(長度和寬度)的電效應(yīng)。但是對于SiP產(chǎn)品來說，由于使用了大量的焊盤和互連線，在進(jìn)行整體封裝模擬時，所有焊盤都被當(dāng)作總端口。這種多端口模擬通常需要大量內(nèi)存，并需要長時間才能完成。
圖3是RF頻段下單個SMD焊盤的互連線長度對電容影響的簡單實例。在這種情況下，3.0pFSMD電容的一個電極連接在M2層上，形成接地電容。100.0μm寬的互連線與另一個電極連接在一起。在2.5GHz頻段下，1.0mm長的互連線可使SMD電容器的等效電容增長到4.9pF(增大了63%)。當(dāng)然，互連線越短，等效電容與本征電容(3.0pF)的值就越接近。然而，通常使用長互連線連接SMD元件是不可避免的。在這種情況下，考慮互連線對電容的影響就顯得異常重要(有時把這種方法稱為對電容的微調(diào))，否則SiP將無法正常工作。
[page]除互連線長度之外，互連線的寬度也會對RF電容產(chǎn)生影響。在襯底的制作過程中，線寬通常會發(fā)生變化(舉例來說，與設(shè)計寬度相比，實際線寬的變化范圍為±10.0μm～±15.0μm)。如圖4所示，如果設(shè)計的互連線為1.0mm長，60.0μm寬，實際卻達(dá)到40.0μm寬，在2.5GHz下等效電容變化將達(dá)到5.3%(以3.0pF接地SMD電容為例)。如果把這種SMD電容用于濾波器中，對于RF應(yīng)用來說，電容值5.3%的變化將導(dǎo)致約2.7%的頻移。我們必須對RF應(yīng)用中含有SMD電容的RFSiP模塊的襯底制造容差進(jìn)行細(xì)致研究。
具有互連線容差的阻抗特性和引線鍵合電感
在RFSiP中，RF溝道中通常要使用差分方式。大多數(shù)收發(fā)機(jī)和LNA采用差分輸入/輸出信號模式，從而獲得更好的噪聲抑制特性。由于需要額外的空間，以保證特定互連線的寬度和間隔，并保持互連線與接地屏蔽/平面之間的距離，因此在封裝產(chǎn)品中這些平行互連線的排列技術(shù)極具挑戰(zhàn)性。線寬/間隔容差對差分對的阻抗特性具有極大的影響。如果不能很好地控制這一容差，結(jié)果仍將顯示出差分信號特性，但回程損耗和插入損耗將極大地增大，從而不再具有良好的匹配特性。
圖5顯示了鍵合引線電感是如何影響差分對連線的插入損耗的。在實例中，100.0Ω差分對的長度為2.0mm。假設(shè)差分對的一端使用引線鍵合方式與RFIC連接，并把直接與引線長度相關(guān)的電感(L)設(shè)為可變值。正像回程損耗曲線圖表示的那樣，加上引線鍵合電感可使差分對偏離100.0Ω這一匹配條件，結(jié)果使插入損耗增大。在5.0GHz下，0.5nH、1.0nH和1.5nH引線電感的插入損耗分別為0.2dB、0.5dB和1.2dB。即使達(dá)到極高的頻率，疊層上的差分對本身仍具有良好的阻抗匹配特性。
這一點也在圖5(L=0nH的情況下)中表示出來，回程損耗在頻率高達(dá)10.0GHz時保持良好，這表明100.0Ω差分對本身具有良好的匹配和低損耗特性。顯然，在高頻RFIC應(yīng)用中，引線鍵合損耗成為顯著的問題。為了克服這一阻抗失配問題，RFIC和封裝設(shè)計師應(yīng)協(xié)同工作，尋找與特定芯片阻抗相匹配的封裝形式。這樣可能出現(xiàn)非標(biāo)準(zhǔn)差分對設(shè)計，但是該設(shè)計將與引線鍵合芯片非常匹配。
對于高頻RF封裝來說，倒裝芯片解決方案可實現(xiàn)最小的互連電感，從而獲得期望的優(yōu)良性能(低損耗、良好匹配)。但是用于引線鍵合結(jié)構(gòu)中的RFIC設(shè)計不能直接用于倒裝芯片產(chǎn)品，即使使用了RDL(重新分布層)也是如此，主要是因為RFIC中的電感在倒裝芯片結(jié)構(gòu)中所處的環(huán)境條件與引線鍵合結(jié)構(gòu)中截然不同。
BBIC和RFIC主時鐘線之間的串?dāng)_
把BBIC和RFIC封裝在單個封裝系統(tǒng)（SiP）中時，BBIC和RFIC信號可能出現(xiàn)相互干擾。根據(jù)傅立葉分析法，BBIC（假如在20.0MHz或40.0MHz時鐘速度下）中的主時鐘信號線將產(chǎn)生高頻信號作用。以40.0MHz時鐘速率為例，其傅立葉級數(shù)到第60位時的頻率為60×40=2400MHz，符合WiFiRFIC（2.4GHz-2.5GHz）通帶的范圍。由于主時鐘線路通常與BBIC中幾個電路元件相連接以獲得功能性，因此靠近RF電路的可能性很大。在這種情況下，RF電路可能成為主時鐘信號的受害者，而產(chǎn)生于時鐘線的耦合信號將變成噪聲，不僅可能增大RF電路的噪聲系數(shù)，還可能降低RF電路的選擇性。
為了對主時鐘線和RF元件之間的相互作用進(jìn)行分析，把壓控振蕩器(VCO)中使用的RF電感(6.0nH)放置在穿通多層襯底的時鐘互連線附近（圖6）。我們在這個研究中使用的互連線長為2.0mm。當(dāng)VCO電感和互連線之間的橫向距離(d)大于0.5mm時，產(chǎn)生的耦合信號將小于-80.0dB。耦合信號的實際要求由SiP系統(tǒng)級電設(shè)計決定。
[page]3D疊層芯片解決方案中主時鐘線與RFIC之間的串?dāng)_
使用疊層芯片法可以縮小封裝的整體面積，這種方法已廣泛應(yīng)用于幾種復(fù)合器件封裝中：存儲器與控制器、存儲器與DSP以及其它數(shù)字應(yīng)用。這種方法可以用于RFSiP封裝中嗎？在回答這個問題之前，我們應(yīng)先了解RFIC的特殊性。
RF電路對任何鄰近的東西都非常敏感。正如我們了解的那樣，附近的接地面或互連線都會影響RF電感值，從而影響RFIC的特性。在某種程度上，RF電路通常成為其它鄰近元件的受害者。
舉例來說，在疊層芯片結(jié)構(gòu)中如果只使用BBIC和RFIC，它們之間的垂直距離只是BBIC或RFIC的厚度。正如我們了解的那樣，在大多數(shù)應(yīng)用中扁平封裝外形通常都是優(yōu)良的品質(zhì)因數(shù)。因此，芯片的厚度受到限制。在這種扁平外形封裝中，使BBIC和RFIC之間保持良好的隔離并不是件容易的事。
為了在BBIC和RFIC器件之間實現(xiàn)最佳隔離特性，可以在它們之間使用一個金屬屏蔽層。但是這種方法將帶來意想不到的問題。首先，金屬屏蔽可能影響RFIC的性能，對我們所期待的響應(yīng)產(chǎn)生潛在的“失調(diào)”作用。RFIC設(shè)計過程中應(yīng)對金屬屏蔽效應(yīng)產(chǎn)生足夠的重視，使之在后續(xù)的SiP疊層芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計中不再出現(xiàn)問題。因此IC設(shè)計師和封裝設(shè)計師在IC設(shè)計之前就應(yīng)多方溝通。第二，增加金屬屏蔽層可能增加組裝成本，從而增加產(chǎn)品的最終成本。在今天這種成本導(dǎo)向市場的時代，只有降低成本才能獲得高優(yōu)先權(quán)。
圖7給出了BBIC和RFIC采用SiP(為簡單起見，實例中未表示SMD元件)疊層芯片結(jié)構(gòu)的實例。在這個實例中未使用金屬屏蔽層，使用環(huán)氧芯片粘接材料把BBIC直接堆疊在RFIC上。就像前文提到的那樣，BBIC中的主時鐘信號(20.0MHz或40.0MHz)包含一些高頻成分，落在RF芯片通帶的范圍內(nèi)。如果BBIC中時鐘互連線和RF芯片之間沒有保持足夠的隔離，特別是在VCO電感中，主時鐘信號可能使RF電路產(chǎn)生噪聲，降低RF芯片的選擇性。
圖8表示了BBIC和RFIC電感之間的耦合強(qiáng)度(未使用隔離層)。假設(shè)BBIC和RFIC的厚度為250.0μm時，對VCO電路中的3nH電感進(jìn)行了研究。BBIC中主時鐘的互連線設(shè)置為1.2mm長。根據(jù)模擬結(jié)果，當(dāng)橫向距離(S)為100.0μm時，2.5GHz下的隔離為-35dB。這一隔離值對大多數(shù)RF應(yīng)用來說是不夠的。當(dāng)橫向距離為700.0μm時，隔離值提高為-50dB，這個值對大多數(shù)RF應(yīng)用來說仍然不夠。為保證VCO電感的性能，位于BBIC電感上方的主時鐘不能使用長互連線。根據(jù)以上分析，我們還應(yīng)對RFSiP使用的疊層芯片法做進(jìn)一步研究，從而判斷BBIC和RFIC器件之間出現(xiàn)嚴(yán)重相互干擾的可能性。
RFSiP技術(shù)為更小外形因數(shù)RF產(chǎn)品的發(fā)展鋪平了道路。除了板級封裝和SiP方法存在的共性問題(互連線長度和寬度、SMD焊盤寄生效應(yīng)、阻抗匹配等)以外，SiP產(chǎn)品還存在一些特殊問題或擔(dān)憂，在成功實現(xiàn)這種產(chǎn)品之前必須解決這些問題。在板級封裝中，一旦每塊電路/元件的功能正常，整個系統(tǒng)就可以正常工作，因為單個部件在系統(tǒng)中與它們單獨(dú)工作時的狀況基本相同。
對于SiP來說，當(dāng)所有的部件被擠進(jìn)狹小的區(qū)域，并且在疊層中采用致密布線時，肯定會出現(xiàn)更多的串?dāng)_，從而使RF電路響應(yīng)出現(xiàn)“失調(diào)”。因為涉及到多種不同的技術(shù)，需要建立通用模擬平臺，從而進(jìn)行系統(tǒng)級鑒定。芯片電路設(shè)計(引腳排列等)和SiP設(shè)計技術(shù)應(yīng)并行發(fā)展，特別是在早期設(shè)計階段，這樣才能在芯片和SiP要求之間進(jìn)行權(quán)衡，避免在后序形成系統(tǒng)時出現(xiàn)電沖突問題。
