- LTCC技術(shù)在系統級封裝電路領(lǐng)域的應用
- 采用LTCC可以實(shí)現高密度的多層布線(xiàn)
- 采用無(wú)源元件的基片集成
0 引言
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(xiàn)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(lái)越小，電子器件也由分立器件、集成電路、片上系統 (SOC)，發(fā)展到更為復雜的系統級封裝電路(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(lèi)無(wú)源元件如電阻、電容、電感、濾波器、耦合器等集成到一個(gè)封裝體內，因而可以有效而又最便宜地使用各種工藝組合，實(shí)現整機系統的功能。
LTCC技術(shù)是近年來(lái)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(shí)現系統級封裝的重要途徑?，F在已經(jīng)研制出了把不同功能整合在一個(gè)器件里的產(chǎn)品，成功地應用在無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)、地面數字廣播、全球定位系統接收機、微波系統等，及其他電源子功能模塊、數字電路基板等方面。
本文主要討論基于LTCC技術(shù)實(shí)現SIP的優(yōu)勢和特點(diǎn)，并結合開(kāi)發(fā)的射頻前端SIP給出了應用實(shí)例。
1 LTCC技術(shù)實(shí)現SIP的優(yōu)勢特點(diǎn)
LTCC技術(shù)是將低溫燒結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、精密導體漿料印刷等工藝制作出所需要的電路圖形，并可將無(wú)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，制成三維空間的高密度電路?；贚TCC的 SIP相比傳統的SIP具有顯著(zhù)的優(yōu)勢，最大優(yōu)點(diǎn)就是具有良好的高速、微波性能和極高的集成度。具體表現在以下幾方面：
(1)IXCC技術(shù)采用多層互連技術(shù)，可以提高集成度，IBM實(shí)現的產(chǎn)品已經(jīng)達到一百多層。NTT未來(lái)網(wǎng)絡(luò )研究所以L(fǎng)TCC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(xiàn)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(xiàn)、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可以制作多種結構的空腔，并且內埋置元器件、無(wú)源功能元件，通過(guò)減少連接芯片導體的長(cháng)度與接點(diǎn)數，能集成的元件種類(lèi)多，易于實(shí)現多功能化和提高組裝密度。提高布線(xiàn)密度和元件集成度，減少了SIP外圍電路元器件數目，簡(jiǎn)化了與SIP連接的外圍電路設計和降低了電路組裝難度和成本。
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(3)根據配料的不同，LTCC材料的介電常數可以在很大的范圍內變動(dòng)，可根據應用要求靈活配置不同材料特性的基板，提高了設計的靈活性。比如一個(gè)高性能的SIP可能包含微波線(xiàn)路、高速數字電路、低頻的模擬信號等，可以采用相對介電常數為3.8的基板來(lái)設計高速數字電路；相對介電常數為6～80 的基板完成高頻微波線(xiàn)路的設計；介電常數更高的基板設計各種無(wú)源元件，最后把它們層疊在一起燒結完成整個(gè)SIP的設計。另外，由于共燒溫度低，可以采用 Au、Ag、cu等高電導率的材料作為互連材料，具有更小的互連導體損耗，特別適合高頻、高速電路的應用。
(4)基于LTCC技術(shù)的SIP具有良好的散熱性?，F在的電子產(chǎn)品功能越來(lái)越多，在有限的空間內集成大量的電子元器件，散熱性能是影響系統性能和可靠性的重要因素。LTCC材料具有良好的熱導率，據研究其熱導率是有機材料的20倍，并且由于LTCC的連接孔采用是填孔方式，能夠實(shí)現較好的導熱特性。
(5)基于LTCC技術(shù)的SIP同半導體器件有良好的熱匹配性能。LTCC的TCE(熱膨脹系數)與Si、GaAs、InP接近，可以直接在基板上進(jìn)行芯片的組裝，這對于采用不同芯片材料的SIP有著(zhù)非同一般的意義。
高頻、高速、高性能、高可靠性是數字3C產(chǎn)品發(fā)展必然的趨勢。預計到2010年SIP的布線(xiàn)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、大功率應用中，在材料，工藝等方面必將進(jìn)入一個(gè)全新的發(fā)展階段，在未來(lái)的應用中占據著(zhù)越來(lái)越重要的地位。
2 應用實(shí)例
基于LTCC技術(shù)，本文研制了一個(gè)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(xiàn)寬、線(xiàn)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(cháng)度最小0.3 mm，電阻控制精度為內部±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。內部貼裝GaAs MMIC、CMOS控制電路12個(gè)和貼片電阻、電容、電感元件三十幾個(gè)，包括LNA、衰減器、微波開(kāi)關(guān)、集成電感、電容、電阻等，含4個(gè)射頻端口以及控制端和電源端若干。采用多通道方案，通過(guò)兩個(gè)PIN單刀多擲開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現通道濾波器組之間的切換。對連接PIN開(kāi)關(guān)的微帶線(xiàn)與帶狀線(xiàn)濾波器之間的過(guò)渡用金屬填孔孔徑大小進(jìn)行了優(yōu)化，以實(shí)現最小的過(guò)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(xiàn)形式的濾波器進(jìn)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，與傳統的采用混合電路技術(shù)制作的同類(lèi)產(chǎn)品相比其體積縮小到原來(lái)的1／50。
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該SIP系統的設計框如圖1，其封裝后實(shí)物照片如圖2所示。
3 結論
采用LTCC可以實(shí)現高密度的多層布線(xiàn)和無(wú)源元件的基片集成，并能夠將多種集成電路和元器件以芯片的形式集成在一個(gè)封裝里，特別適合高速、射頻、微波等系統的高性能集成。本文開(kāi)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(zhù)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(jìn)步和成熟，LTCC技術(shù)在SIP領(lǐng)域的應用必將具有廣泛的應用前景。
