基于LTCC技術(shù)的SIP研究

0 引言

　　隨著無線通信、汽車電子及各種消費電子產(chǎn)品的高速發(fā)展，對產(chǎn)品的便捷性、高性能、低功耗、高可靠性和多功能提出了更高的要求。而集成電路技術(shù)的進步和新型封裝技術(shù)的發(fā)展為電子產(chǎn)品性能的提高、功能的豐富與完善、成本的降低創(chuàng)造了條件。微電子封裝經(jīng)歷了雙列直插(DIP)封裝、小外廓(SOP)封裝、四邊引線扁平(QPF)封裝、球形陣列封裝(BGA)和芯片尺寸(CSP)封裝等，尺寸越來越小，電子器件也由分立器件、集成電路、片上系統(tǒng)(SOC)，發(fā)展到更為復(fù)雜的系統(tǒng)級封裝電路(SIP)。SIP使用微組裝和互連技術(shù)，能夠把各種集成電路如CMOS電路、GaAs電路、SiGe電路或者光電子器件、MEMS器件以及各類無源元件如電阻、電容、電感、濾波器、耦合器等集成到一個封裝體內(nèi)，因而可以有效而又最便宜地使用各種工藝組合，實現(xiàn)整機系統(tǒng)的功能。

　　LTCC技術(shù)是近年來興起的一種令人矚目的整合組件技術(shù)，由于LTCC材料優(yōu)異的電子、機械、熱力特性，廣泛用于基板、封裝及微波器件等領(lǐng)域，是實現(xiàn)系統(tǒng)級封裝的重要途徑?，F(xiàn)在已經(jīng)研制出了把不同功能整合在一個器件里的產(chǎn)品，成功地應(yīng)用在無線局域網(wǎng)、地面數(shù)字廣播、全球定位系統(tǒng)接收機、微波系統(tǒng)等，及其他電源子功能模塊、數(shù)字電路基板等方面。

　　本文主要討論基于LTCC技術(shù)實現(xiàn)SIP的優(yōu)勢和特點，并結(jié)合開發(fā)的射頻前端SIP給出了應(yīng)用實例。

1 LTCC技術(shù)實現(xiàn)SIP的優(yōu)勢特點

　　LTCC技術(shù)是將低溫?zé)Y(jié)陶瓷粉末制成厚度精確而且致密的生瓷帶，在生瓷帶上利用沖孔或激光打孔、微孔注漿、精密導(dǎo)體漿料印刷等工藝制作出所需要的電路圖形，并可將無源元件和功能電路埋人多層陶瓷基板中，然后疊壓在一起，在850～900℃下燒結(jié)，制成三維空間的高密度電路?；贚TCC的SIP相比傳統(tǒng)的SIP具有顯著的優(yōu)勢，最大優(yōu)點就是具有良好的高速、微波性能和極高的集成度。具體表現(xiàn)在以下幾方面：

　　(1)IXCC技術(shù)采用多層互連技術(shù)，可以提高集成度，IBM實現(xiàn)的產(chǎn)品已經(jīng)達到一百多層。NTT未來網(wǎng)絡(luò)研究所以LTCC模塊的形式制作出用于發(fā)送毫米波段60GHz頻帶的SIP產(chǎn)品，尺寸為12 mm×12 mm×1.2 mm，18層布線層由0.1 mm×6層和0.05 mm×12層組成，集成了帶反射鏡的天線、功率放大器、帶通濾波器和電壓控制振蕩器等元件。LTCC材料厚度目前已經(jīng)系列化，一般單層厚度為10～100 μm。

　　(2)LTCC可以制作多種結(jié)構(gòu)的空腔，并且內(nèi)埋置元器件、無源功能元件，通過減少連接芯片導(dǎo)體的長度與接點數(shù)，能集成的元件種類多，易于實現(xiàn)多功能化和提高組裝密度。提高布線密度和元件集成度，減少了SIP外圍電路元器件數(shù)目，簡化了與SIP連接的外圍電路設(shè)計和降低了電路組裝難度和成本。

　　(3)根據(jù)配料的不同，LTCC材料的介電常數(shù)可以在很大的范圍內(nèi)變動，可根據(jù)應(yīng)用要求靈活配置不同材料特性的基板，提高了設(shè)計的靈活性。比如一個高性能的SIP可能包含微波線路、高速數(shù)字電路、低頻的模擬信號等，可以采用相對介電常數(shù)為3.8的基板來設(shè)計高速數(shù)字電路；相對介電常數(shù)為6～80的基板完成高頻微波線路的設(shè)計；介電常數(shù)更高的基板設(shè)計各種無源元件，最后把它們層疊在一起燒結(jié)完成整個SIP的設(shè)計。另外，由于共燒溫度低，可以采用Au、Ag、cu等高電導(dǎo)率的材料作為互連材料，具有更小的互連導(dǎo)體損耗，特別適合高頻、高速電路的應(yīng)用。

　　(4)基于LTCC技術(shù)的SIP具有良好的散熱性?，F(xiàn)在的電子產(chǎn)品功能越來越多，在有限的空間內(nèi)集成大量的電子元器件，散熱性能是影響系統(tǒng)性能和可靠性的重要因素。LTCC材料具有良好的熱導(dǎo)率，據(jù)研究其熱導(dǎo)率是有機材料的20倍，并且由于LTCC的連接孔采用是填孔方式，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的導(dǎo)熱特性。

　　(5)基于LTCC技術(shù)的SIP同半導(dǎo)體器件有良好的熱匹配性能。LTCC的TCE(熱膨脹系數(shù))與Si、GaAs、InP接近，可以直接在基板上進行芯片的組裝，這對于采用不同芯片材料的SIP有著非同一般的意義。

　　高頻、高速、高性能、高可靠性是數(shù)字3C產(chǎn)品發(fā)展必然的趨勢。預(yù)計到2010年SIP的布線密度可達6 000 cm／cm2，熱密度達到100 W／cm2，元件密度達5 000／cm2，I／O密度達3 000／cm2?；贚TCC技術(shù)的SIP在這些高集成度、大功率應(yīng)用中，在材料，工藝等方面必將進入一個全新的發(fā)展階段，在未來的應(yīng)用中占據(jù)著越來越重要的地位。

2 應(yīng)用實例

　　基于LTCC技術(shù)，本文研制了一個射頻接收前端SIP，并由十三所的IXCC工藝完成。文中采用的工藝最小線寬、線間距均為50 μm；孔直徑170 μm；同一通孔處最大可以通孔15層；電容值范圍為1.0～100 pF；電感值范圍為1.0～40 nH；電阻槳料方阻為10 Ω／□、100Ω／□和1 kΩ／□，寬度最小0.2 mm，長度最小0.3 mm，電阻控制精度為內(nèi)部±20％，表面為±5％。

　　該射頻接收前端SIP為12層LTCC基板，基板尺寸為39 mm×20 mm×1.2 mm。內(nèi)部貼裝GaAs MMIC、CMOS控制電路12個和貼片電阻、電容、電感元件三十幾個，包括LNA、衰減器、微波開關(guān)、集成電感、電容、電阻等，含4個射頻端口以及控制端和電源端若干。采用多通道方案，通過兩個PIN單刀多擲開關(guān)來實現(xiàn)通道濾波器組之間的切換。對連接PIN開關(guān)的微帶線與帶狀線濾波器之間的過渡用金屬填孔孔徑大小進行了優(yōu)化，以實現(xiàn)最小的過渡損耗。濾波器全部集成在LTCC基板之中，為了保證濾波器間的相互隔離，采用了帶狀線形式的濾波器進行不同層間濾波器的隔離，最大限度減小對其他電路的影響。為了減小后級噪聲影響前級放大器采用高增益的LNA，該電路采用二次變頻技術(shù)，將二中頻下變頻為100 MHz，與傳統(tǒng)的采用混合電路技術(shù)制作的同類產(chǎn)品相比其體積縮小到原來的1／50。

 
　　該SIP系統(tǒng)的設(shè)計框如圖1，其封裝后實物照片如圖2所示。

　　實測結(jié)果增益(Ga)大于60 dB，噪聲系數(shù)NF小于3 dB，如圖3所示。

 
3結(jié)論

　　采用LTCC可以實現(xiàn)高密度的多層布線和無源元件的基片集成，并能夠?qū)⒍喾N集成電路和元器件以芯片的形式集成在一個封裝里，特別適合高速、射頻、微波等系統(tǒng)的高性能集成。本文開發(fā)的高度集成的X波段射頻接收前端表明，LTCC技術(shù)在微波SIP方面具有明顯的優(yōu)勢。隨著小型化、高性能電子產(chǎn)品快速發(fā)展以及LTCC技術(shù)的不斷進步和成熟，LTCC技術(shù)在SIP領(lǐng)域的應(yīng)用必將具有廣泛的應(yīng)用前景。