面向SiP封装的层压板与LTCC板射频模块设计教程

随着移动无线设备面临更大的缩小体积的压力,人们开始采用系统级封装(SiP)来解决这一难题。不过，前端的射频电路通常需要首先集成在一块基板上，形成一个模块，然后再嵌入SiP中，才能保证射频电路的完整性以及与其它电路的隔离。这种射频模块通常有现成的产品可以使用，但有时为了满足特定要求，还要寻求专业厂商的定制设计。

把射频功能集成在层压基板和低温共烧陶瓷(LTCC)上是两种不同的设计问题。本文探讨这两种基板在射频模块设计方面的优势和劣势。并将借助一些模块设计实例来介绍一般的设计过程。

首先分析射频模块的整体设计要求，再决定如何把射频功能设计到模块中，这是一种良好的设计流程。射频设计流程的第一步是定义最终用户对模块的要求。以便进行分析并开发模块解决方案来满足期望的尺寸和射频性能。

检查对层压板和低温共烧陶瓷(LTCC)的分区所做的成本分析。通常每项要求都会检查一个全层压模块、一个全LTCC 模块，以及一个将某些射频功能设计到LTCC 中的层压模块。目前，完全LTCC 设计的模块局限于前端天线开关模块。例如，某种模块在6.7 ×5.5mm 的封装尺寸中包含一个双工器、若干低通滤波器、两个PIN 二极管天线开关和三个SAW 滤波器。

大体而言，过去的设计经验为准确地预先估算各种分析选项下射频模块的成本、尺寸和性能提供了基础。根据详细程度、选项数量和选项间共性等差异，这种分析需要花几天到几周时间。

两种基板的特性比较

层压板的成本一般比陶瓷更低。通常，陶瓷模块为了具有成本效益必须缩小尺寸，这可以通过把更多电路嵌入多层LTCC 来实现。对于同样尺寸的模块，层压板的成本几乎总是更低。不过，当用到精细间距的倒装芯片核芯时，层压板的成本就可能很高昂了。精细间距的倒装芯片器件需要成本更高的高级高密度互连(HDI)技术。根据构造的不同，HDI 可能比LTCC 成本更高，也可能更低。在某些设计中，无源器件和内核决定了模块尺寸。图1显示的蓝芽模块包含两个内核和若干高价值无源器件，它们都无法嵌入LTCC 中。该设计包含一个巴伦平衡-不平衡变换器和一个滤波器，它对数字通信系统(DCS)频率和个人通信系统(PCS)的频率抑制为40dB。

 

图1、蓝牙层压板模块

LTCC 有较高的介电常数和薄的隔层，可以在LTCC 层中嵌入低容量电容。有些LTCC 的层厚仅有20 微米。焙烧之后，在40 微米带厚时可以提供高达80 的相对介电常数。这使两个介电层的电容密度达到18pF/mm2。而层压板电容密度被限制在1pF/mm2。

这样，陶瓷相对于层压板就具有了尺寸优势。陶瓷还提供范围更宽的介电常数。LTCC 的相对介电常数范围是5~80，而层压板是2~5。层压板和陶瓷均提供各种电介质厚度，不过陶瓷能够提供薄得多的尺寸。对于电容器而言，这是优势，但却可能阻碍某些结构的应用。

借助过孔技术，LTCC 还获得了另一项尺寸上的优势。LTCC 可提供焊盘中的过孔。这样可以把元件安放在焊盘上，因为过孔是实心的金属。

低成本的层压板解决方案使用的是机械方式钻出的过孔，其直径为200 微米。过孔的一部分被金属填充。不过，过孔太大，无法被金属完全填充。剩余部分用阻焊材料来填充。由于焊锡不会粘附到阻焊材料上，因此需要使过孔离开元件焊盘。如果在层压板上也用焊盘中过孔技术，可以使用HDI 或增加一个过孔电镀(via overplating)工艺。不过，这些问题常使层压板产品的成本明显增加。

LTCC 的另一个优势是它的过孔和过孔捕获焊盘（capture pads）尺寸都更小。这使设计更紧凑。不过与层压板相比，在陶瓷基板中的过孔必须离模块边缘更远。因此，陶瓷的优势是嵌入30pF 以下的小容量电容器，更小的过孔和捕获焊盘。当模块尺寸不是由各种无源器件和内核所决定时，陶瓷基板可实现比层压板更小的设计。这就抵消了陶瓷基板较高的成本，尤其有利于精细间距的倒装芯片核芯。它也可能比HDI 基板更经济。

层压板是一种成本更低的材料，用注模成形方法可以低成本地保护引线接合的内核。陶瓷需要更昂贵的围堰填充(dam and fill)操作，还需要一个取放用的盖子。目前，层压板可提供相似或更小的线宽和间隔。在50 微米的大批量生产时，层压板可提供65 微米线宽和间隔，而很多LTCC 使用80-100 微米，有些在内层上可低达60 微米。另外，层压板使用更厚的金属，传导性更高，从而使电阻和电感都更低。在陶瓷中实现相同的电阻和电感则需要更大的线宽。层压板解决方案还提供更好的附属可靠性，因为它们的热膨胀系数(TCE)接近于与之匹配的印刷电路板。陶瓷的TCE 为7 ×10-4，而层压板和匹配的印刷电路板的TCE 在12 ×10-4和14 ×10-4之间。在为模块连接所做的二次回流焊期间，互连焊点的应力更低。另外，如果印刷电路板是双面的，可能还需要第三次回流焊。在产品工作环境的热条件下，匹配的TCE 也使印刷电路板上的机械互连焊点的应力更低。

陶瓷模块一般采用焊接凸块或焊球，封装为BGA，来帮助降低由于陶瓷和印刷电路板的TCE 不匹配而造成的互连焊点应力。另外，关键的连接点被排成一行，并远离应力较高的模块角。它们还可以进行复制以提高可靠性。封装尺寸对于可靠性也是很关键的。不过，层压板的可靠性是不容易获得的。

阻容元件的嵌入

新近的技术进步已经开始模糊了陶瓷和层压板之间的区别。

陶瓷的一项优势是能够嵌入电容器。多种新技术也可以在层压板内部嵌入电容器。目前的技术仅适合于大容量电容器。它们使用X7R 电介质或非常薄的亚微米薄膜。不过，嵌入式小容量电容器正在开始出现。

这种技术的样品已经得到了验证，不过目前它还不具备大批量制造的成熟工艺。预计有嵌入式电容器的层压模块将于2004 年进入批量生产。

此外，这两种工艺都可以嵌入电阻。Shipley 公司的工艺局限于材料整体的表面阻抗都相同。Dupont 公司的工艺可以混合并匹配各种表面阻抗的涂料，仅比单一涂料方式多增加一点成本。目前，如果嵌入式无源器件的数量接近每平方厘米6个，那么这两种技术都很有成本效益。不过，元件数量很少时往往成本更高，只有增大批量才有望降低成本。

在陶瓷基板这一方面，已经开始出现各种针对陶瓷的注模成形工艺。通过对多种影响可靠性的因素进行优化，降低了陶瓷模块的总封装成本。

尽管层压板的介电损失更高，但它的金属部分比LTCC 好。LTCC 在介电损失方面性能更好，但牺牲了金属连接性。它焙烧的金属层更薄，损耗更大。

滤波器等器件的集成

层压板滤波器可用于2.4GHz 和5GHz 的蓝牙应用和WLAN 应用（图2）。这些频率的平衡-不平衡变换器和其它装置也已经开发成功。这些器件降低了总封装成本，同时能为接收器提供射频选择性。滤波器保护接收器免受PCS/DCS 和蜂窝通信的影响。它还为发射器和工作在5GHz 范围的802.11a 等系统提供了一定的谐波衰减。

图2、层压板2.4GHz WLAN 和蓝牙嵌入式滤波器滤波的数量取决于接收器的预期保护级别、距离和动态范围，以及低噪声放大器(LNA)的压缩点。不过，压缩点与LNA 的电流消耗密切相关。

滤波器无法对带内干扰源提供防护，如2.4GHz 手机和泄漏微波的微波炉等。LNA 压缩是对带内干扰源的唯一防护方法。滤波可以对带外干扰源提供防护。LNA 压缩和滤波器选择性之间仍然存在着一个平衡问题。

假如没有更高的插入损耗，那么对于低P1dB LNA，也许无法实现充分的滤波。 不过，由于插入损耗在LNA 的前面，因此它将影响总体接收器噪声值。这种更高的滤波器插入损耗需要的LNA 噪声值（以满足总体接收器灵敏度）也许是无法实现的。使用高通滤波器来代替传统的带通滤波器，为在基板中嵌入滤波器带来了机会。这样的优点包括消除了很多元件、需要的空间更小、材料清单成本降低，以及通过使用更便宜的模套(moldcap)来降低成本。

陶瓷滤波器的外形较高，而且需要成本更高、带盖子的围堰填充工艺。先进的设计可以使层压式滤波器具有足够高的选择性，无需再用陶瓷滤波器，这样使高度更低，同时还是一种减少成本的替代方案。

其它集成工艺

 

图3、带有集成式天线和屏蔽的蓝牙模块集成式天线是另一种可以降低总体系统成本的技术。

图3描绘了一种全蓝牙模块，它需要外部参考信号。它包含一个具有数字功能和射频功能的内核。该设计包括若干嵌入式滤波器和一个巴伦平衡-不平衡变换器。天线被集成到了封装中。它采用93 脚BGA 封装，尺寸为15 ×15 ×6.5 mm，不过高度可以降至4 mm。

嵌入式屏蔽也是降低成本的一个因素。屏蔽可能是用来降低辐射，从而满足规范要求，使器件免受附近干扰源的影响，并使收发器能够正常工作。

一个信号可以耦合到蓝牙或WLAN 前端滤波器后面的电路板中。与产品外部干扰源相比，这可能会在蓝牙或WLAN LNA 中产生更大的噪声级别。电路耦合可能还会影响PCS 接收器。这是由于直接耦合也可能于接收器链的后面耦合进来。如果它在自动增益控制(AGC)带宽范围内，那么它可能会启动AGC。AGC 带宽一般比中放(IF)带宽更高。这可能会在接收器中产生30 dB 的AGC，降低接收器灵敏度。所以在电路设计时一定要特别小心，避免耦合现象。

除了这些直接耦合机制以外，蓝牙收发器和PCS 收发器还必须与彼此的时钟和寄生干扰一同工作。

要预测这些辐射的影响是不容易的。封装级的屏蔽能够满足这些要求，同时满足有关该系统的规定。屏蔽一般是在产品级别实现，但是，封装级屏蔽可以为许多产品开发商免除昂贵的供应问题，从而降低成本。一种替代解决方案是将其中屏蔽部分与内核封装在一起。模块可以包含多个屏蔽装置，以便免受基带干扰、射频干扰或发射器及接收器电路的影响。

除了这些技术以外，其它工艺，比如芯片和接线、倒装芯片、堆叠内核、嵌入无源器件和双面表面安装等，也可以作为解决方案的一部分。

早期成本核算

对产品成本降低最大的影响是在产品设计早期获得的。如果各种选项的封装成本、尺寸和性能可以在初期确定的话，那么就能避免很多的重新设计、设计转向和设计失败。

图4给出了一些典型的组装成本构成和基板成本构成。根据这些因素，可以优化该架构，以包含低成本的射频设计，并产生最优的模块解决方案。

图4、若干SiP 成本因素

这种初始设计包括微调，以及各项值和零件位置在第一个原型阶段做的调整。从"负载拉升"器件数据或应用板测量得到最好的结果，不过，借助器件模型来设计也是可能的。

多数射频功率放大器设计项目包括热管理的仿真和设计。它们可以设计在任何基板中。它可以在集成式无源器件网络中包含薄膜、玻璃或硅。

SiP 的未来趋势

射频SiP 越来越受欢迎。它简化了匹配的系统板、增加了单位面积或体积内的功能、减少了最终的组装成本与零件数量、改善了电气性能、增加了最终组装的成品率、加快了产品上市时间，同时降低了最终用户或组装人员需要了解的射频专业知识。

结果，射频SiP 在行业内被日益广泛接受并用于大批量封装系统。