应用于射频领域的系统级封装_SIP_设计加工与产品实例
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4<4 中国集成电路
4&.50 675’8 190 ’8 :64.9-;7’
封装与测试
应用于射频领域的系统级封装*><?$" 设计加工与产品实例
安靠公司
@ 0;17 0G 6 H , 6 I 0’ &8+ G6 和 I . -&087 6 ?, 6 J 0K529
A 等电子产品在各种各样的消费类产品和 摘要 " 无线电话手机 % 便携式电脑 % 数码照相机 % 以及它们与 ?@ CA D%?A D 等 $ 体积小 % 商用产品中的融合 % 推动了各种无线电互连系统的发展 % 并且要求这些互连系统* B
!" 配备其它的 !") 在母板上增加某些线路 % 无源元
件 % 屏蔽器 % 与天线 ) 才能够形成一个比较完整的无 线电系统 % 或者提供比较完整的无线电系统功能 ’ 随 着 #$ 功能部件逐步沿着模块 化 的 方 向 迅 速 发 展 % 封装的作用或者说封装所承担的任务 % 已经不是仅 仅实现芯片的连接与对芯片的保护了 ) 这时封装需 要承担实现部分甚至全部无线电系统功能 % 而连接 与保护不过仅仅是对其提出的要求中的一小部分 ’ 为了圆满地实现应用于射频领域的系统级封装 *%!&$% 不论是半导体制造商 % 或者是封装提供商 % 都 需要在更高水平上了解并掌握有关的技术与知识 ’ 对于这些需要开发的子系统或模块 % 它们所采用
图 =’ 成本 & 尺寸 & 性能等与 " !& 衬底以及装配方式之间的关系
!" # 总第 <8 期 $
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4<4 中国集成电路
4&.50 675’8 190 ’8 :64.9-;7’
封装与测试
图 %6 适 合 应 用 于 嵌 入 有 传 输 线 结 构的 >? 线路的双核心层衬底结构 图 !6 6 衬底材料的相对成本
重量轻 % 能在集成的环境下工作 ’ 同时为了不断扩大市场规模 % 要求在缩小体积 % 减轻重量的同时 % 还能 够不断地降低成本 ’ 总而言之 % 客户对于系统的要求就是不断扩大系统功能 % 降低成本 ’ 在这种强烈的市 场驱动下 % 新出现的 >< ? 封装逐步发展成为封装领域内强有力的竞争者 ’ 本文试图将 EF 系统的要求和 封装的要求结合起来 %考虑如何进行 >< ? 的设计 ’ 集成化的 EF 系统 % 是将包括嵌入有滤波器 % 屏蔽器 % 甚 至天线的衬底等等 % 都集成在一个传统意义上的半导体封装内 ’ 文章最后 % 举例介绍射频功率放大器
&012*134560 $进行优化 % 需要在实现封装的物理特性
过程中 % 综合地考虑各种矛盾 % 不断地进行一系列的 权衡与折衷 ’ 当前采用系统级封装 *%!&$ 的射频功 率 放 大 器 *#’&7$ 已经实现大批量生产 % 供货总量以亿计 ’ 这 类产品系列包括 " 单频段 "897 单元 % 以及 * 带偶合 器 % 检 波 器 以 及 功 率 控 制 线 路 的 $ 四 频 段 :%9
*D*?*&而标准 @3 的正切损耗为 *D*,E%
有些无源元件例如滤波器 & 平衡 器等 & 需要采用内嵌的传输线结构 来 实 现 ’/0 多 层 板 则 比 较 适 合 构 造传输线等结构 & 而它的价格仅仅 比标准的 @3 略高 % 当前市场上的
/0$’ 中的许多产品 & 都是既可以
采用 @3& 也可以采用 /0 多层板 & 进 行 交 货 的 % 因 为 对 于 /0$’ 来 说 & 传导损耗是主要问题 & 是关键 ’ 而在影响传导损耗的众多因素中 & 金属本身的影响更大 % 尽管镀金曾 经被认为是十分优越的 /0 传导金 属 & 但是其下面的镍阻挡层却使传 导损耗增加 % 许多 /0$’ 采用铜作
!"$ 封装的无线电手机正在开发之中 %
本文将从集成化系统设计的角度 & 讨论如何正 确处理成本 & 尺寸大小 & 和性能之间的矛盾关系 & 进 行妥善的权衡利弊与优化 ’ 提供在实现无线电系统 级封装时所涉及的各种各样关键技术 & 并以蓝牙与
%&’( 为例 &列举一些解决方案的实例 %
=4 =’ 互为矛盾的成本 & 尺寸大小 & 与性能 要求 !
也包括无源元件 & 就成为影响系统成本 & 尺寸大小的 重要因素 % 对于采用 !-# 封装的系统 & 234 线路则 是在 !-# 封装内实现的 ’ 实现的方式既影响系统的 性能 &也对系统的成本与尺寸大小产生影响 % 图 ? 表 示系统的成本 & 尺寸大小 & 以及性能与 -. & 封装用衬 底 & 以及各种装配方式的之间关系 % 全面估算某一具体 /0 !-$ 各种可能实现方式 的成本 & 工作量巨大惊人 % 设计人员面临众多的选 择 & 无数的可能性 % 但是影响封装成本问题的主要因 素可归结为 ! 衬底 & 装配方式 & 以及无源元件的实现 方法等方面 %
应 该 指 出 & 大 家 都 熟 知 产 品 成 本 的 )*+ & 是 在 产品开发阶段的前 ,*+ 时间段内 & 就已经被最后决 定了 % 这意味着 & 产品功能的划分 & 技术的选择将最 终决定功能部件甚至系统的成本 % 如果在开始时决 策不当 & 系统的高昂成本将无可挽回地被预先确定 了% 采用 -. 技术实现 /0 线路 & 随着所选用的结构 与功能划分的不同 & 实现的方法也千差万别 % 在大多 数情况下 & 采用单一芯片实现全部射频功能不是最 经济有效的办法 & 甚至是不可能实现的方案 % 因此需 要将一部分功能转移到芯片以外去实现 % 这些处于 芯片外 12345 67789:; <=;> 的线路 & 既包括有源元件 &
#’&7 ’ 此外 % 蓝牙和 ;<7= > ?@ABCC D 系统也已开始
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中国集成电路
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以 !"# 的形式交货 % 无线电手机正在不停顿地沿着 模块化的方向发展 & 采用包括射频在内的 & 单一的
为主要的传导金属 % 并被覆盖以焊料掩蔽层 % 因此可 以不必使用镍阻挡层 & 而现在镀金层仅仅被用于进 行芯片或封装的互连 & 在衬底材料中 %!"## 是价格 最贵的 ’ 但是由于能够在其上嵌入 $ %!%# 等无源元 件 %又能嵌入传输线结构 % 因此可以使系统的体积做 得最小 ’ 如果在成本 % 大小与性能的优化过程中 % 需 要优先考虑尺寸大小 %!"## 显然是最合适的选择 & 此外 % 根据当前的系统集成经验 %有时由于缩小了体 积 %减少了元件数目 %总体成本反而得以降低 & 因此 % 重要的是需要考虑产品在整个生产过程中的总体成 本 ’而不能仅仅比较材料清单的价格 & 当然 % 导电层的层数以及介质层的厚度对于成 本也有影响 % 因为随着层数与厚度的增加核心材料 也在增加 & 通常 % 核心材料的厚度如果小于 %&& 微 米 %由于需要比较薄的模塑前的预浸料坏层 % 而制造 薄而均匀的材料层有一定的难度 % 因此成本将提高 & 两层结构最为经济实效 %其次是标准的四层结构 ’ 随 后是双核心层结构 ’ 最贵的是 !"# # 即高密度连接 层 $层 %其上需要覆盖 ’& 微米厚度的介质层 % 这是激 光打孔所要求的 & 双核心层结构虽然成本比较高 % 但 是如果在 $( 线路中需要嵌入 传 输 线 与 散 热 片 时 % 这种结构却是非常优越的介质材料 & 这种结构无需 增加成本就可以提供有镀层的盲孔 ’ 因为每一核心 层在层压前都可以单独进行加工以形成覆盖了的盲 孔 & 例如 %)* 层和 +), 层都可以形成 & 图 + 所示是 应用于 *-,./0 的蓝牙 % 和 1!23 的标准双核心层 结构 & 应用于 4-&.50 1!23 的衬底正在进行评估鉴 定& 不论从 $( 性能考虑 % 还是从可靠性要求考虑 %
的绝大多数结构材料都可能对这些系统的 #’ 性能 产生影响 ’ 然而 % 在封装中选择使用什么样的材料 % 对于封装的最后成本 % 尺寸大小 % 和性能 % 往往具有 比较大的影响 ’ 但是由于模块或者子系统最后必须 得满足应用的要求 % 因此往往是性能的要求最终决 定了材料的选择 ’ 为了能够在 %!& 中比较圆满地实 现 #’ 系统功能 % 需要掌握电子产品技术 % 集成电路 技术 % 芯片制造工艺技术 % 材料性能与衬底设计技 术 ) 只有这样才能够在应用中妥善地对系统的尺寸 大小与制造成本进行优化处理 ’ 为了能够妥善地针 对 成 本 *"( )*+, $% 尺 寸 大 小 *%- %./0$% 和 性 能 *&%
CA D 等电子系统的具体解决方案 ’ * EF?A$ % 滤波器 % 蓝牙 % 以及 B
=, 6 应用于射频领域的 # >< ?$ %它的作用 系统级封装 不仅仅是一个& 封装 ’ (
在过去应用于射频领域的 !" % 各个芯片一直都 是单个地被封装在各自的封装内 ’ 但是为了满足系 统的要求实现一定的功能 % 开发人员还必须为射频
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封装与测试
中国集成电路
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影响的因素很多 % 例如 % 焊接块的大小 % 焊料阻挡层 的开孔位置 %对准等等都存在公差 % 很难做到毫无偏 差 & 于是设计人员往往要求衬底供应商采用最严格 的技术规范 %将开孔位置 % 焊接块大小尺寸的加工要 求提高到极限 & 这样不但使产量提不高 %也使成品率 大幅度降低 & 这是一个十分敏感 % 十分微妙的问题 % 需要双方仔细地处理 % 使之既能保证达到电特性的 要求 % 又能够将成品率维持在比较高的水平 & 当然这 也要求和往常一样 % 在设计的开始阶段就能充分考 虑到加工中可能出现的问题 & 设计的稳定性应该表 现在保证电特性的前提下 % 给加工留下充分的加工 裕度 ’ 这样完成的设计在生产中才能保持较高的成 品率 % 将成本维持在比较的水平 & 芯片的黏合 !"#$ %&&%’() 对电性能 % 热性能 ’ 以及 对加工成本都有影响 & 和无源元件一样 %芯片位置安 置的精确性也十分重要 & 如果芯片的位置偏差 % 超 过 *+, -.-/- 微米 %对于一些关键的 01 2+3 引出线长 度就可能产生影响 % 使得一些关键的匹配网路失谐 % 影响其电性能 & 对于 0145 如何控制粘合剂树脂层 的厚度也是非常重要的 & 对于目前的移动电子产品 % 功率耗散一般为 6,7 8 & 散热的状况对放大器的工 作效率影响比较大 % 因此要求严格控制这个厚度 & 放 大器的效率是移动电子产品的重要指标 % 例如对于 手机来说 % 它直接与电池的使用期限有关 & 采用焊接 方法也是一个解决方案 & 但是焊接的成本高得多 % 因 此只在功率比较大的场合才采用 & 芯片连接 9"#$ #:&$;’<::$’&= 对于 01 线路来说也 许是最为关键的问题之一 %它不但与性能关系密切 % 也影响成本 & 引线键合是成熟的工艺技术 %成本也比 较低 & 因此只要能够满足要求一般都尽可能采用 & 在
=4 7’ 如何根据成本与性能要求选择衬底
首先分析衬底的选择 % 考虑的主要问题包括核 心材料的选择 & 金属导电层的安排 & 通孔设置状况 & 和导电层数的确定 % 图 , 表示各种衬底材料的相对 成本 % @3 树脂 #@3 是日本三菱气体化学品公司的一 种专用的树脂品牌 $是一种被大量采用的 & 由于芯片 互连的衬底介质材料 % 因为它的产量非常大 &如果采 用的又是常用的标准厚度其价格将是最低的 % 但是 许多 /0 线路对于介质损耗比较重视 & 则选用 /0 多 层板比较适宜 ’ 例如 A;9;B 或 @38CA 的正切损耗为
电镀方法都很值得关注 & 为了实现芯片的连接 %比较 标准的方法是采用汇流排接电的电镀方法 & 但是对 于 678% 用于焊接零部件的焊接块 % 通常与来自边沿 的电连接线是互相隔离不相连接的 & 因此不能对这 些焊接块实现汇流排连接 % 一般不能采用通常的标 准电镀方法 & 对整个部件进行镀金是一种可行的方 法 % 这时整个平面都镀上金了 & 在金层与模塑料之间 的界面 %由于焊料容易流入比较薄弱的环节 % 对水汽 的浸入比较敏感 %是可靠性失效的一个潜在因素 & 化 学电镀的成本虽然最低 % 但是却比较难于控制镀层 厚度的均匀性 ’ 这样在进行引线键合时就会遇到困 难 & 最好的解决办法是 % 首先将焊接块连接在一起 % 采用汇流排接电的电镀方法 %电镀好以后 ’ 再将焊接 块的连接线腐蚀掉 & 腐蚀以后往往会遗留下一些微 小的 (尾刺 #9:;<= $)%或者称为金属毛刺 & 尺寸一般不 超过 %*4 微米 & 设计人员必须仔细安排设置这些电 镀用的临时连接线 % 因为这些连接线被腐蚀掉后可 能遗留下许多尾刺 % 这些尾刺具有一定的电感与电 容 & 如果安排不当 %有可能产生不利的 $( 效果 & 这 种腐蚀方法既能保证 $( 性能不受严重影响 % 又具 有比较优越的经济实用性 &
=, %6 装配方式对成本与性能的影响
降低 678 成本的主要途径 % 应该是如何将常规 封装过程中的行之有效的大批量生产技术应用到
678 加工过程中来 & 但是 $( 电特性的特殊要求又需
要采取不同于常规技术的特殊方案 & 例如 %$(82 中 的调谐线路 % 不但要求其元件数值非常准确 % 而且要 求其无源元件的位置也应安置得非常精确 & 一旦设 计人员确定了安置的位置 % 就要求该元件每一次都 能被非常准确地安置在所选定的位置上 & 然而 %由于
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重量轻 % 能在集成的环境下工作 ’ 同时为了不断扩大市场规模 % 要求在缩小体积 % 减轻重量的同时 % 还能 够不断地降低成本 ’ 总而言之 % 客户对于系统的要求就是不断扩大系统功能 % 降低成本 ’ 在这种强烈的市 场驱动下 % 新出现的 >< ? 封装逐步发展成为封装领域内强有力的竞争者 ’ 本文试图将 EF 系统的要求和 封装的要求结合起来 %考虑如何进行 >< ? 的设计 ’ 集成化的 EF 系统 % 是将包括嵌入有滤波器 % 屏蔽器 % 甚 至天线的衬底等等 % 都集成在一个传统意义上的半导体封装内 ’ 文章最后 % 举例介绍射频功率放大器
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也包括无源元件 & 就成为影响系统成本 & 尺寸大小的 重要因素 % 对于采用 !-# 封装的系统 & 234 线路则 是在 !-# 封装内实现的 ’ 实现的方式既影响系统的 性能 &也对系统的成本与尺寸大小产生影响 % 图 ? 表 示系统的成本 & 尺寸大小 & 以及性能与 -. & 封装用衬 底 & 以及各种装配方式的之间关系 % 全面估算某一具体 /0 !-$ 各种可能实现方式 的成本 & 工作量巨大惊人 % 设计人员面临众多的选 择 & 无数的可能性 % 但是影响封装成本问题的主要因 素可归结为 ! 衬底 & 装配方式 & 以及无源元件的实现 方法等方面 %
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首先分析衬底的选择 % 考虑的主要问题包括核 心材料的选择 & 金属导电层的安排 & 通孔设置状况 & 和导电层数的确定 % 图 , 表示各种衬底材料的相对 成本 % @3 树脂 #@3 是日本三菱气体化学品公司的一 种专用的树脂品牌 $是一种被大量采用的 & 由于芯片 互连的衬底介质材料 % 因为它的产量非常大 &如果采 用的又是常用的标准厚度其价格将是最低的 % 但是 许多 /0 线路对于介质损耗比较重视 & 则选用 /0 多 层板比较适宜 ’ 例如 A;9;B 或 @38CA 的正切损耗为
电镀方法都很值得关注 & 为了实现芯片的连接 %比较 标准的方法是采用汇流排接电的电镀方法 & 但是对 于 678% 用于焊接零部件的焊接块 % 通常与来自边沿 的电连接线是互相隔离不相连接的 & 因此不能对这 些焊接块实现汇流排连接 % 一般不能采用通常的标 准电镀方法 & 对整个部件进行镀金是一种可行的方 法 % 这时整个平面都镀上金了 & 在金层与模塑料之间 的界面 %由于焊料容易流入比较薄弱的环节 % 对水汽 的浸入比较敏感 %是可靠性失效的一个潜在因素 & 化 学电镀的成本虽然最低 % 但是却比较难于控制镀层 厚度的均匀性 ’ 这样在进行引线键合时就会遇到困 难 & 最好的解决办法是 % 首先将焊接块连接在一起 % 采用汇流排接电的电镀方法 %电镀好以后 ’ 再将焊接 块的连接线腐蚀掉 & 腐蚀以后往往会遗留下一些微 小的 (尾刺 #9:;<= $)%或者称为金属毛刺 & 尺寸一般不 超过 %*4 微米 & 设计人员必须仔细安排设置这些电 镀用的临时连接线 % 因为这些连接线被腐蚀掉后可 能遗留下许多尾刺 % 这些尾刺具有一定的电感与电 容 & 如果安排不当 %有可能产生不利的 $( 效果 & 这 种腐蚀方法既能保证 $( 性能不受严重影响 % 又具 有比较优越的经济实用性 &
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降低 678 成本的主要途径 % 应该是如何将常规 封装过程中的行之有效的大批量生产技术应用到
678 加工过程中来 & 但是 $( 电特性的特殊要求又需
要采取不同于常规技术的特殊方案 & 例如 %$(82 中 的调谐线路 % 不但要求其元件数值非常准确 % 而且要 求其无源元件的位置也应安置得非常精确 & 一旦设 计人员确定了安置的位置 % 就要求该元件每一次都 能被非常准确地安置在所选定的位置上 & 然而 %由于